TI 电源应用研讨会 揭密高效节能新未来

为满足电子产品对于更高功率供应、更快充电速度、更节能，以及更小型、轻量化的充电器等各种需求，近来电源设计技术持续演进与发展，除了导入新的GaN功率元件之外，既有已广泛应用的USB标准，也已制定了新的EPR（扩充电源范围）规范，最高可支持240W的功率输出能力。

此外，针对各类倚赖电池供电的产品来说，如何强化电池管理系统设计，延长电池续航力，也是日益重要的议题。这些新兴的电源设计技术在带来应用商机的同时，也带来了新的设计挑战。为了协助工程师掌握最新的技术趋势，德州仪器（TI）日前特地举办了电源技术研讨会，探索了包括先进GaN电源设计、高效电源转换、以及扩充电源范围（EPR）技术等议题，以及TI提供的完整解决方案。

半桥GaN IC简化高功率密度充电器设计

TI系统工程师YangLin Chen首先介绍100W以下USB Type-C充电器的拓朴架构。目前笔记本电脑或智能手机的充电器设计常采用准谐振反驰式（quasi-resonant flyback）拓朴架构。此架构虽具备设计简易、元件数量较低的优点，但却有效率较低，且会由于切换损失而使功率密度无法提升。

对此，TI提出了主动箝位返驰（Active Clamp Flyback；ACF）拓朴架构。其优点是，透过零电压开关（ZVS）设计，可达到大于92%的较高效率，并实现更高的功率密度（>20W/cub inch）。然而，此架构的缺点是，需要较多的元件，且设计复杂度较高。ACF设计的复杂度，主要是因为所有的参数（包括寄生参数）都会影响系统效能，而且部分参数还会彼此交互影响，例如匝数比会影响负载比和电流峰值。由于复杂度高，若采用开环式控制模拟，结果会不准确，但若用闭环式控制模拟，又太过耗时。

为克服此问题，TI提供了通过验证的ACF设计工具，它是以Excel为基础的计算工具，不仅快速且准确，还能与加载其他的模拟器或运算工具，进行更详细的计算。针对采用ACF架构的高功率密度充电器，TI提供一款半桥式GaN元件LMG2610，可简化其设计。它整合了电位移转器和高侧自举式电路，可提升可靠度与缩小体积。此整合式GaN元件，与分立式方案相比，可节省70%的元件数量。

最后，YangLin Chen介绍了65WUSB Type-C充电器范例，可达到>93.1%的电源效率，且透过利用半桥式GaN以及ACF架构，可大幅提升功率密度达>1.22W/cc。

电源供应滤波器IC及独立式主动EMI滤波器（AEF）IC

TI系统应用工程经理Red Yen表示，电源管理设计面临了多项挑战，包括EMI、功率密度、低Iq、低杂讯、以及隔离等。AEF新技术主要是为了解决EMI和功率密度问题所开发的。

在电源供应系统中，因为采用大型被动滤波器，使得减少电磁干扰 （EMI） 变得更具挑战性。在TI的电源供应滤波器IC产品组合中，当作电容放大器在操作的主动 EMI 滤波器（AEF）IC可实现高达30 dB的额外EMI 衰减，最多可将共模滤波器中扼流器的电感值降低80%。

AEF主要可用来因应AC-DC和DC-DC系统中的共模（CM）和差模（DM）EMI挑战。AEF IC 可传感共模 EMI电压干扰，并将抵消杂讯电流回注到电源线，有效放大滤波器电容，以利于使用更小的扼流器。

AEF IC可缩减高功率密度解决方案中的EMI滤波器尺寸、重量及成本，并达到国际无线电干扰特别委员会 （CISPR）11、CISPR 32及CISPR 25 EMI要求。此外，透过AEF IC让大型磁性元件体积缩小，如此即可减少产生的热量，并提高系统可靠性。

TI的TPSF12C1/3/-Q1可降低共模放射，以符合AC/DC系统中严格的EMI标准。Red Yen说明了AEF IC的几个实际应用，包括汽车的车载充电器（OBC）、服务器电源供应器，以及相关的设计资源。

图腾柱无桥PFC中的控制挑战

TI系统工程师LiehChung Yin比较了传统PFC与图腾柱无桥PFC的差异。首先，传统 PFC 中的二极管电桥会导致显着的功率损耗，约1.7% @ 90V （Vin,RMS）。而图腾柱 PFC 的功率损耗可减少许多，因为电流路径中只有 2 个开关 （2 Rdson），可达到99%的效率。

但是，图腾柱无桥PFC的主要问题是，在AC零交叉（AC Zero-crossing）会出现电流突波（spikes）。此现象会造成不佳的总谐波失真（THD），亦会影响EMI。

LiehChung Yin介绍了克服此问题的解决方案，包括AC零交叉侦测、电流传感，以及如何控制双向电流等。最后总结说，与其他PFC拓朴相比，图腾柱无桥PFC可提供最佳效率，但同时也带来了设计上的挑战。这些挑战可以透过TI C2000 或 UCD3138 等数码电源控制器来解决。

此外，LiehChung Yin亦在「电源供应设计中常见错误」场次中，讨论了许多常见设计问题与原因。他解析的设计应用包括，非隔离式DC-DC转换器、AC-DC返驰转换器、电源供应布局、以及利用宽能隙元件（GaN和SiC FET）的电源供应等。

使用电量计 IC 延长电池寿命

TI应用工程师Summer Huang表示，依不同的整合程度，电池IC元件可分为保护、监控、和计量三大类。TI电量计具备了准确容量指示、量测、增强保护与验证、智能充电、实时健康指示等多项特性。

电量计IC可量测电池的电压、电流与温度，以预估电池储存电量、阻抗以及剩余电量，以确保安全充电与放电。此外，电量计IC还可作为安全诊断与保护、验证等功能。透过量测电池的温度／使用时间，计算其阻抗，是准确预测电量的关键。

TI专利的Impedance Track演算法可实现 95% 高精度电池容量测量，透过充电电压测量、温度、电池特性，判断电池充电状态与容量。透过硬件开发的新创新与Impedance Track 演算法结合，使TI的产品能够在不同条件下进行高精度测量。此外，支持智能充电的Maxlife演算法，可有效延长电池寿命。它的优点是，无需完全放电来解决容量衰减问题，以及连续电池平衡，无需等到接近使用寿命才进行电池平衡。阻抗测量可指示电芯温度，以便立即提供保护以减少热应力。

随着电池成为许多应用中的主要储能和电源，电池的有效使用、其运行时间、效能和寿命是系统的关键方面。透过硬件开发的新创新与Impedance Track演算法结合，使TI的产品能够在不同条件下进行高精度测量。

LLC 拓扑的电源传输与全新返驰波谷切换

TI应用工程师John Cummings首先介绍了各种不同的切换方式，包括硬切换、波谷切换、准谐振（QR）、零电压（ZVS）切换等，以及这些切换技术适用的情况。举例来说，准谐振控制器在高负载时的效率最高，波谷切换控制器则是在整个负载范围内，都能优化效率。

针对高功率LLC拓朴，它是150W到1kW范围内电源供应的理想选择，可达到约95%的效率，优于ACF、全桥等架构，且功率密度最高。适用于各种广泛应用，包括电源供应、照明、医疗设备、PC／笔记本电脑、工厂自动化等。

LLC是一种谐振转换器，由两个电感元件（LL）和一个电容（C）元件组成，形成谐振回路，可用于半桥（两个开关）或全桥（4 个开关）配置。此外，谐振操作可实现零电压开关 （ZVS）。

与另一种LCC拓朴相比，由于RMS输入电流较低，因此LLC拓朴在有限的输入/输出电压范围内效率最高，用于电视、适配器、DIN导轨等。若把LCC拓扑用在更宽的VIN/VOUT范围内，但因RMS电流较高，因此整体效率会较低。电池充电器和照明应用可能较适合这种拓朴。最后，John Cummings说明具低待机功率的UCC25640x LLC谐振控制器，以及相关的设计资源。

USB-PD EPR 规格和系统级设计考量

TI应用工程师Alan Manlick详细说明新的USB-PD 3.1规格。USB Type-C标准的拟定是为了解决各种不同连接器的纷乱情况，并实现以单一连接埠达到功率、数据与视讯传输的功能。它能够支持达240W的功率，以及40Gbps的数据率和8K视讯。USB Type-C在各国政府规范、统一的连接标准等趋势的推动下，已获得广泛采用。

但在实际应用中，须注意并不是所有USB Type-C埠都是相同的，可分为传统的标准Type-C以及Type-C PD两种。其中，并不是所有的Type-C埠都支持PD功能，但Type-C PD埠都是Type-C埠。USB Type-C连接器设计的另一个特点是，它是可逆的，这表示无需担心连接方向，都能正确连接。

至于什麽时候需要采用USB Type-C PD控制器？首先，如果您的设计需要大于5V的电压，就需要采用。此外，若要求视讯功能，Type-C PD可做为DisplayPort和Thunderbolt等视讯界面的替代方案。Type-C PD的另一个优点是，它的功率与数据角色是可以互换的(来源／UFP)。以扩充基座为例，它可为笔记本电脑充电，但也可作为接收视讯的数据UFP。只要设计涉及以上任何一种情况，就需要Type-C PD控制器，若非如此，则使用标准的Type-C控制器即可。

标准电源范围（SPR）可支持5到20V，新的EPR可支持15V-48V。USB PD 3.0，可配置至20V，最高电流5A，功率至100W。新的EPR USB PD 3.1可配置至48V，最高电流5A，功率至240W，扩展了它的应用范围，笔记本电脑快充、电动单车、游戏机等。最后，他介绍了EPR应用的电路图，包括EPR保护电路、PC／NB、基座／监视器、移动电源充电器等，以及相关设计资源。