淺談電源供應器在主動鉗位(Active-Clamp)與半橋共振(LLC)的線路設計參考專欄I：輸出電容設計

交換式電源供應器之輸出電容設計考量的重點大概分兩項，一、漣波電流耐受力（跟電容的等效電阻(ESR)有關），二、暫態負載響應力（跟電容的容量(capacitance)有關）。線路設計基本上輸出電容的選擇要考量這兩項重點，接下來的內容將分享在主動鉗位(active-clamp)與半橋共振(LLC)的輸出電容選擇與線路差異。

 

本文採用科學模擬軟體Simetrix進行驗証及比對的做法以客觀陳述設計考量，而建模型要求必須個別建立主動鉗位與半橋共振模型，並且模型需盡量包含完整電路結構。應該由一次測控制器(PWM)、主開關元件、變壓器、共振元件、二次測整流開關元件、濾波電感、濾波電容和回授單元組成。為了能將模擬結果呈現在一起，將主動鉗位與半橋共振模型結合在一個專案裡，讓它們同時一起進行模擬演算。本模擬設計規格為12V(51.3A) 615W單組輸出，如下圖所示(上半部為LLC convertor,下半部是Active-clamp convertor)。

本模擬目標著重於輸出電容的漣波電流值大小，因此負載條件設定滿載情況下，來量取電容C5(LLC的輸出電容)和C12(Active-clamp的輸出電容)兩者的漣波電流值。量測結果如下波形圖所示，LLC(C5)漣波電流值為22.82A而Active-clamp(C12)漣波電流值為1.96A且其值遠小於LLC。

 

接著將兩架構配上適合的電容器，主動鉗位(Active-clamp) 漣波電流值小，所以選擇KY系列1500uF16V*2電解電容，它滿足漣波電流餘裕度(derating)小於1要求，試算1.96A/1.91A*2 =0.51結果為0.51<1，也有3000uF容量足以應負暫態負載響應力、另外半橋共振(LLC) 漣波電流值非常大，因此選擇PSC固態系列470uF16V*4電解電容，它漣波電流餘裕度可小以1，試算22.82/6.1*4=0.934結果為0.934<1，電容為1880uF也足以應負暫態負載響應。

綜合上述電容選擇的結果，可認知半橋共振(LLC)架構選用多顆固態電容有絕對必要，至於電容器的損耗差異性，主動鉗位(Active-clamp)損耗計算=33mΩ*1.96^2=127mW (每顆損耗=63.5mW)，而半橋共振(LLC)損耗計算=(10mΩ/4)*22.82^2=1.3W(每顆損耗=325mW)，就電容器的損耗觀點來看半橋共振(LLC)比較高。

 

從電容器的壽命計算和設計來比較，參考Nippon Chemi-Con的Lifetime Estimation技術文件，得知固態電容與電解電容的壽命遵循阿瑞尼斯（Arrhenius's Law）定律，溫度每上升10°C會造成壽命減半。接著將電容參數填入壽命公式(lifetime estimation equation)求得時間值：

 

主動鉗位(Active-clamp)電容壽命:KY電容壽命7kHr 105°C

Lx=7k*2(105°C-40°C)/10*2(20°C)*(-1.96/2/1.91/10)=311kHr

 

半橋共振(LLC)電容壽命: PSC電容壽命15kHr 105°C

Lx=15k*2(105°C-40°C)/10*2(20°C)*(-22.82/4/6.1/10)=371Hr

 

從上述計算結果可顯示出半橋共振(LLC)使用15KHr固態電容壽命表現與主動鉗位(Active-clamp) 使用7KHr電解電容壽命相差很小，與外界傳言說的半橋共振(LLC)使用15KHr固態電容壽命特別優異於使用電解電容的主動鉗位(Active-clamp)架構的問題。

Lifetime Estimation Equation:

Lifetime Estimation:

The infiltration rate of the oxygen is depend on the temperature as the liquid electrolyte evaporation and the relationship follows the Arrhenius's Law, too. Similarly, thermal degradation of the conductive polymer by self-heating follows the Arrhenius's Law, too. Therefore, the lifetime estimation has been using the theory of lifetime reducing by half at every 10℃ rise of the ambient temperature.

 

全漢企業的電源供應器產品齊全，主動鉗位(active-clamp)與半橋共振(LLC)的線路設計被廣泛使用在我們的產品範疇裏，以客觀的評論分享輸出電容設計考量。