同步整流技術CoC V5解決方案與應用
- DIGITIMES企劃
-
為讓電源效率的轉換更有效率，使產品更節能，在電源設計上必須下不少工夫。為此，各廠商也提出不少電源處理的先進技術，以幫助電源設計工程師能夠設計出高能效的產品。以設計專業類比IC、提供各式電源管理系統的Sync Power(擎力科技)，便推出同步整流技術的解決方案，符合各國安規標準，並具備超高能效等級，讓客戶設計出高效率的電子應用產品…
擎力(Sync Power)科技股份有限公司應用工程部經理楊大鴻先生，針對「效率轉換UP、節能再升級！同步整流技術CoC V5解決方案與應用」的議題做演說。他表示該公司的願景為開發先進的高效能電源管理方案，而目前節能的目的也是該公司努力的目標。
楊大鴻先秀出一張簡單的AC/DC示意方塊圖，在Synchronous Rectifier(同步整流器)部份，一般都是採用傳統的整流二極體來達到其整流目的，然而二極體有壓降的問題，因此針對高電流的應用下，確實會造成功率損耗的情況。
如今同步整流部份，擎力已改用MOSFET來做取代，並透過控制IC來控制MOS的開或關。由於必須配合整個AC/DC的電源架構，根據PWM工作方式來做轉換的開關，以及有效提升轉換效率。
過去以來，在同步整流的解決方案部份，擎力提供了Forward或Flyback等各式的產品組合，而2015年將再提供LLC架構的同步整流控制IC。
地球暖化頗嚴重 環保須即刻行動
楊大鴻表示，當今地球暖化現象嚴重，全世界正展開節能的風潮中。他以Code of Conduct (CoC) Version 5的一種歐盟自主性的電源規範中，其定義電源空載部份有Tier 2的最嚴格指標，明確定義在4種平均負載電壓的效率提升，同時加測10%負載時的效率轉換。定義範圍包含一般電源與6V以下的輸出電源。
此外DoE LOT.6 (美國能源局的6級能效)也在2014年2月19日同步更新其規範，除了60W輸出部份，並一舉將瓦特數提升到250W以上，訂定了一般輸出電壓要求與多組輸出等規範。
所以因應各國政府在節能上的努力與現行法規要求日益嚴苛，擎力這次也推出了可以符合CoC V5的電源適配器解決方案，包含其自主開發的3顆電源IC晶片：SP6879(針對返馳式應用的QR準諧振PWM IC)、SP689(高壓啟動IC)、SP6018E(同步整流控制IC)。
三種產品與組合 高功綠能皆符合
擎力主打的三項產品有SP689、SP6879與SP6018E。有關SP689部份，它是一款高壓啟動IC，主要用在AC/DC一次側的部份，取代現行高壓啟動電阻，及？或(AND/OR)洩放電阻。符合IEC60950-1安規需求。其優點有：(1)降低待機功耗，並符合DoE LOT.6的能源規範、(2)開機速度快、(3)設計簡單及周邊零件少，可搭配原有PWM IC、(4)應用於X電容洩放功能、(5)搭配6針腳的PWM IC，價格低於單顆SOP-8的高壓啟動PWM IC。
以SP689的典型應用線路來說，因其帶有高壓啟動與洩放電路功能，故可依照其特性，節省了洩放電阻的功率消耗，來有效降低待機功耗，並符合安規需求。
此外亦可從X洩放電阻端接一啟動電阻來做使用，或在傳統電路使用一高壓啟動電阻來使用。在SP689實機測試效能中，以使用一般啟動電阻與洩放電路來測試，在230V/50Hz的條件下，獲得了0.338W的數據，經過改用SP689之後，其功耗降低到0.128W，大大滿足6級能效的要求。且開機速度頗快，小於2秒鐘以內。
再看SP6879，是一顆多模式的QR準諧振PWM IC。在一般低壓時設定為CCM(連續導通模式)，及高壓時設定為谷底切換模式。具備超低啟動電流、準諧振(QR)模式，故可改善EMI 特性。同時具備各式保護功能，包括：逐週期電流限制、欠電壓保護、晶片過壓保護、可編程AC輸入和低電壓保護(Brownout)、過壓保護(Line OVP)、輸出過壓保護(Load OVP)、過載保護(OLP)、晶片過溫度保護(OTP)等等。適用於120W以內的返馳式電源適配器。
SP6879採SOP-8封裝設計，8隻腳位各有其功能。其內部控制方塊電路中，有Brownout/Line OVP、Gate端箝位保護、並有改善EMI特性的Soft Driver。因此應用在多模式操作中，空載時頻率維持22KHz，隨電流負載的增加，其操作在PFM (Pulse Frequency Modulation，脈波頻率調變)模式之下，而在低壓輸入滿載時，頻率則固定在52KHz (即CCM模式)，高壓則設定為QR模式，頻率則固定在100KHz。
至於SP6018E則是一款高性能的同步整流IC，具有4項專利保護，能同時工作於CCM/DCM/QR等模式，ON/Dead Time可調整，保護周全與電源系統搭配性佳，High Side(上橋)及Low Side(下橋)都可使用，可搭配各家Low Rdson MOSFET，並具備Green mode 節能功能。
同樣的SP6018E採SOP-8封裝，各pin都有其功能，如Pin1(Timing)為調整同步動作點、Pin2(Pred)為調整死區時間、Pin3(VR)為內部參考電壓、Pin4(Adj)為調整動態穩定性、Pin5(GND)為控制器地端、Pin6(MOSG-C)為驅動SR MOSFET柵極、Pin7(Vdd)則是提供工作電壓、Pin8 (SYNC)取樣電壓同步信號。
SP6018與SP6018E的功能上，除了都是SOP-8封裝、最大作業電壓為16V之外，後者還提供OVP過壓保護(自動重啟)與節能模式(低於10mW)。以12V/5.42A的電源適配器為例，在待機功耗部份，SP6018E在進入節電模式時，其SYNC pin偵測一次側的PWM爆發模式狀態後，進入睡眠模式，並關閉SR IC內部輸出線路，進而達到降低Vcc輸入功率。使其Vcc操作電流僅為0.2mA、SR Dissipation(消耗)降為10mW。
SP6018E可應用於下橋、上橋等設計。動作原理是透過負緣判斷控制：因SP6018E內部有兩個電壓比較器，當SR MOSFET Vds在負緣時，SP6018E會計算通過兩電壓的時間、即觸發Output訊號給MOS。而SP6018E工作時序採預測式控制：其內部的預測式控制電路，會計算週期啟動時間，以步階的方式調整啟動時間。
在內部會有預設波形與真實的SR MOSFET Vds做比較，類似汽車的倒車雷達，透過預測波形前緣觸碰到Vds前緣時，就增加其寬度來保持安全距離，以避免有交越的動作。也可利用Pin2 Pred 外加電容對地，來增加死區時間(dead time)。
在動態調整控制部份，SP6018E的動態調整控制電路，會計算每週期啟動時間變化。當下一週期PWM on_time，T1-T2= 600ns(初始值)時，SP6018E立刻將Pin6輸出工作周期縮減至最小至1us，以避免SR MOSFET交越動作。
以SR Vds與Vgs波形在Surge(浪涌)測試時，當能量打在Vds前緣的時候，可以看到MOS Vds的變化，突波也會變高，此時便符合動態負載的保護條件(>600ns)，SR gate輸出端也就會無條件地縮至最小的ms，來做保護的動作，避免MOS炸掉的危險，然後再週而復始的持續。
至於SP6879+SP6018E同步整流應用波形中，在SR MOS於90Vac的輕載、中載到滿載的情況下，可看出VCM到CCM設計的波形圖。而在高壓(264Vac)部份，也可看出IC從VCM到QR操作模式的變化。
三項武器同導入 安規不再費工夫
至於搭配SP689+SP6879的60W(12V-5A)適配器效能部份，於空載時，230Vac電壓輸入時待機電流可以小於100mW。OTP與OCP的保護點也非常的近。而60W適配器若同時導入SP689+SP6879+SP6018E，在230V/50Hz的25%、50%、75%、100%的負載之下，平均能效達到90.68% (>90%)，符合6級能效的標準。
因此60W (12V-5A)適配器可用SP689來取代現行的高壓啟動IC、以SP6879取代QR Mode PWM IC、再加以SP6018E取代同步整流部份，來將整體電源效率做有效的提升。
運用上述產品所設計出來的60W適配器，可符合CoC V5 Tier2電源規範、低待機功耗 (空載條件於輸入230VAC時 <0.1W)、高效率 (滿載條件於輸入230VAC時>90%)、高精度的OVP (保護動作電壓16V±5%)、高精度的過電流OCP (補償特性<10%)等以上的特性與效能。
整體而言，擎力的各式綠能電源IC解決方案，瞄準各項應用領域，如PC？伺服器？工業電腦的電源供應器、LED電源供應器、印表機？遊戲機、筆電變壓器、LED TV？螢幕、智慧型手機？平板？多孔USB充電器、DC/DC獨立模組、機頂盒等等，提供各式3C產品最佳的用電效率，並進一步符合各國安規標準，以達到綠能省電的目的。
