學術活動

計畫名稱:高效率LCD-TV電源供應器之專題研究與製作

 

背景及現況

電源供應器是所有電子系統中不可或缺的組件,並且在系統的可靠度上扮演著重要的角色。到目前為止,電源供應器並不會自己供電或產生電力,而是把輸入電源轉換成系統所需要的各種不同輸出電壓。切換式電源供應器 (Switching Mode Power Supply;簡稱SMPS) 為荷蘭科學家(Neti R.M. Rao) 1970 年發明。早期傳統以線性調整器為主軸的電源系統,雖然具有較小的漣波(ripple),較高的可靠( Reliability),以及沒有惱人的電磁干擾 (EMI) 之產生。然而此種電路之體積大且效率低是其最大之致命傷,其中影響體積大小的主要因素為輸入端之變壓器與濾波電容器,而功率損耗的主要元件為輸入變壓器與線性能量調節用的電晶體。而其最大之優點為近乎無雜訊,因此目前的主要用途在於對雜訊要求甚為嚴格的電子的系統產品中。至於目前所發展的SMPS,則具有以下許多的優點:(1)體積小,(2)重量輕,(3)效率高,(4)有較大的電壓輸入範圍。

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中,SMPS則扮演了一個舉足輕重的角色。除了應用在電腦的電源裝置上,亦可應用於監視器,數值工具機,儀器、音響、通信與飛彈系統等方面。而最近幾年來,由於功率半導體,控制電路與被動元件的快速的研究發展,使的SMPS目前正大量生產,不僅在可靠度上大大提高,而且價格上也漸漸下降。雖然目前交換式電源供應器有前面所述的各種優點,不過卻有以下一些缺點:(1)會有較大的漣波與雜訊,(2)會有電磁干擾 (EMI) 產生,(3)會有散熱問題。這是因為電源供應器都是操作在高頻中 (20KHz~200KHz),而且電路是以導通 (ON)與關閉 (OFF) 週期性方式工作,如此會使得目前轉換器的結構,在輸入或輸出端產生大的脈動電流 (Pulsating Current)。而此脈動電流乃是漣波與雜訊,以及電磁干擾的主要來源;所以,在輸入端上與輸出端上會產生與交換頻率相同頻率漣波電流所感應的電壓與雜訊。

    為了解決開關高頻切換所帶來的損失,關於開關柔性切換的技術也就應運而生。此方法之功能和切換式電源供應器之功能一樣,差別在於其調節能量用之 BJT MOSFET 在零電壓或零電流下切換且轉換波形為弦形波,故減少 BJT MOSFET 切換時的功率消耗以及雜訊干擾。諧振式電源供應器之設計技術較複雜且困難,在應用產品的量產設計上尚不被廣泛使用。線性式電源供應器、切換式電源供應器與諧振式電源供應器等三類型電源供應器的特性比較則如表 1所示。

 

1 各類型電源供應器之比較表

      

  

線性式供應器

切換式供應器

諧振式供應器

        

   50以下

   6080

   7595

        

    

    

    最輕

        

   

    

    最小

        

   

    

    

   簡單

    複雜

   最複雜

 

    近十幾年來在眾人的努力之下,發展出多種具柔性切換的電路架構,但對於中低輸出功率的電源系統而言,主動箝位式轉換器(Active Clamp Converter[1-4]、全橋相移式轉換器( Full Bridge Phase Shifted Converter [5-7]、對稱半橋轉換器(Half-Bridge Converter[8-9]與不對稱半橋轉換器(Asymmetrical Half-Bridge Converter[10-15]

 

1:主動箝位順向式轉換器主電路圖

 

主動箝位順向式轉換器(圖1)藉由一個輔助開關與箝位電容器串連組成的箝位電路,來達成變壓器消磁與電路緩振目的。此電路主開關、輔助開關利用互補式的驅動,可達成兩開關的零電壓切換,但主開關與輔助開關之零電壓切換條件相差較大與開關耐壓應力較高等缺點,使得此型轉換器較不適合操作於高壓輸入的應用場合。

全橋相移式轉換器(圖 2)藉由適當的設計,一次側的四顆開關皆可達成零電壓切換,但此電路美中不足的地方有一次側循環電流、控制與驅動電路較為複雜且輕載下開關不易達成零電壓切換等問題。其中一次側循環電流將會增加開關與變壓器之導通損失,電路操作的責任週期越小,將會使得循環電流越大,進而影響電路整體效率的不佳。

 

2:全橋相移式轉換器架構主電路圖

 

3:半橋式轉換器基本架構主電路圖

 

半橋式轉換器(圖 3)之開關控制方式為傳統之對稱式,且開關操作於定頻率之情況下,而電路上的共振元件決定了共振頻率之大小,故欲達成開關零電壓切換是有其困難度在。一般而言,為了讓轉換器在輕、重載下都能維持正常操作,在開關責任週期的設計上,必須留下足夠的截止時間來維持重載下迴授電路的脈波寬度調變機制。而在此截止期間,儲存於變壓器漏電感的能量將使電路中的寄生元件產生共振,此共振現象將持續到將漏電感的儲能耗盡。所以也就是共振元件決定了欲達成開關零電壓切換之條件下的兩開關同時截止時間(Dead time)之適當長短,而同時截止時間之長短又關係著負載條件下之導通責務比(Duty ratio)的調節,所以傳統之對稱半橋式轉換器欲達成零電壓切換存在相當之難度。

 

4:非對稱半橋架構主電路圖

 

計畫目標

非對稱半橋轉換器(圖 4)由於開關的橋式結構,使得開關應力要求較主動箝位式轉換器為低。另一方面,在兩開關零電壓切換暫態期間由於輸出電感電流的參與,也使得兩開關的零電壓切換條件差距較主動箝位式轉換器為小。此外,由於此電路只需兩顆開關,且沒有全橋相移式轉換器一次側循環電流的問題。此非對稱半橋式轉換器無截止時間(Dead time)之長短又關係著負載條件下之導通責務比(Duty ratio)的調節的問題,且架構簡單,因此,此電路架構已慢慢被產業界所採納及生產。

因此本專題研究之目的,便是在非對稱半橋轉換器中,利用開關零電壓切換之技術,製作實現一個同時具有零電壓切換性質的高功率密度與高效率的直流電源供應器。由於傳統電視體積大及輻射線強,LCD電視卻無傳統電視的缺點,故近年來,台灣光電產業莫不視LCD電視為發展重點,但電源部分以電源供應器轉換所需直流電源,故以非對稱半橋架構和LCC架構來作為LCD電視的電源驅動。

以下分點說明本計畫目標:

1.      與業界公司建立技術交流管道,共同研究高效率LCD-TV電源供應器之設計與製作,以維持台灣在LCD-TV直流電源供應器之領先地位。

2.      派遣研究生赴業界公司或亞源科技()公司實習,增加研究與製作能力。

3.      與業界建立技術交流管道,定期進行專案計劃之分析事宜及研究進度之討論。

4.      建立各種大小尺寸LCD-TV電源供應器之規格與電路陳品之製作。

 

具體內容及配套措施

目前電機系有一系列之電源轉換課程,然而一些目前業界發展之技術技職院校並沒有跟上,因此至業界實習與參與專案研究能有效增加技職院校之實作能力,藉由參與此一業界實務專題研究可以對電機系、所完成下列之具體內容及配套措施:

1.                     在校執行硬體電路之設計與製作,製作完成後派遣專題生及研究生赴業界實習,學習電源供應器之除錯與維修,以增加研究學習之機會。

2.                     與業界定期一個月進行電路分析事宜及專案計劃研究工作。再利用自行設計之高效率電源供應器應用到LCD-TV上,以測試實作電路之性能。

3.                     預計與三家業界建立技術交流管道,共同研發可應用於各種尺寸之LCD-TV之高效率電源供應器。

4.                     根據計劃執行之經驗,在學校開設一系列電源供應器相關之實務課程。

5.                     在學校之內提出一系列相關之實務專題給大學生與研究生,以培養具有實務經驗之大學生與研究生,進而回流至工業界以提昇整體研發工程師之專業知識。

   

進度實施及分工

1. 資料收集:針對非對稱半橋轉換器資料收集,收集電路原理與特性、電路IC與電路元件。

2. 研讀電路原理與特性、IC的動作原理和元件特性預計對非對稱半橋轉換器電路做深入之原理探討和數學分析,根據推導之理論基礎運用到設計步驟上,了解應用IC的動作原理、元件特性後才執行設計步驟,非對稱半橋轉換器電路原理與特性,在研究過程中才能印證理論是否相對印,否時才可知何處動作有誤,再做動作修正。

3. 電路設計與元件材料選擇

首先必須決定電路相關參數與規格如下:輸入電壓、輸出直流電壓、最大輸出功率、切換頻率、最大輸出電流、輸出電流漣波、輸出電壓漣波、最大責任週期、效率。

第二部分為主變壓器設計: 從輸入電壓、輸出電壓及責任週期帶入原理可得主變壓器一、二次側匝比,再由一、二次側均方根電流選取導線,最後決定鐵心及繞線架型號。

第三部分為功率開關及整流二極體元件選用:而在高頻切換的電路中,需具有較快的切換速度之開關,故多採用功率級金氧半場效電晶體(Power MOSFET),而不選用雙極性電晶體(BJT)之主要因素。而功率開關及整流二極體的耐壓及耐流,依照原理計算所得外,一般在實際的選擇會大於計算值。

第四部分為諧振電感設計:具零電壓切換的電路架構,通常利用漏電感及開關元件上的寄生電容來產生諧振,當寄生電容越大時所需諧振電感越大,選取適當功率開關對諧振電感的影響是很大的。諧振電感值的取得是根據推導原理,當諧振電感值大於變壓器漏電感值時,需外加電感。

第五部分為輸出電感和輸出電容設計:輸出電感越大則輸出電流漣波量當然越小,但對於電路暫態響應則是越差,因此,在容許的輸出電流漣波內,求出電路所需要的輸出電感即可。同樣的道理,電容值的大小是決定電壓漣波量因素,所以選擇輸出電容,也須視設計者所能接受的輸出電壓漣波量。當將電解電容器的等效串聯電阻考慮時,會發覺極大部分輸出電壓漣波都由電容等效串聯電阻所貢獻,若有較小的等效串聯電阻,則所需電容值將可下降。

第六部分為耦合電容設計:非對稱半橋轉換器中,變壓器一次側有串聯加入一個耦合電容,經由此電容,直流電壓會成比例的將伏秒不平衡部分予以除去。在耦合電容上的電壓變化量不宜過大,其合理值的範圍是介於Vin/210%至20%之間。為了降低熱效應的產生,電容器需使用有較低的ESR值,或是將一些電容並聯在一起使用,也可將低其ESR值。並得到所希望的電容值大小。

4. 電路製作與電路測試:電路板製作包含有元件排列位置、電路線走線方式及銲錫都是影響電路特性一大門學問,如不是最佳的方式,會造成意想不到雜訊或不需要的特性,令人束手無策。

5. 設備、儀器:電路測試所需之設備、儀器:示波器,RLC測量儀,差動探棒,電流探棒,電子式負載機,功率分析儀,交直流兩用電源共應器等。

6. 報告撰寫:針對本提案之研究成果作資料整理與整合。

 

預期成效及影響

1.                     完成與業界建立技術交流管道事宜,建立前瞻高效率電源供應器技術設計。

2.                     指導專題生及研究生赴業界實習,增加研究及實務能力,增加學生未來就業之潛力。

3.                     完成與業界研發單位建立定期硬體成品開發及研究工作。

4.                     完成高效能之LCD-TV電源供應系統,提升業界研發之能力。

5.                     使學生了解LCD電視電源產品之應用與發展。

6.                     為國內培養先進的電源供應器設計之人才。

應用性方面的貢獻:本計劃執行非對稱半橋架構與零電壓切換技術應用在LCD電視電源供應系統上,利用零電壓切換之技術以使系統之整體切換損失減少,進而提高系統之效率,並利用共振之技術以減少整體電路之體積,以達到高功率密度之效能,以增加整體系統之競爭力。廠商必定是相當有興趣,對於國內的LCD電視電源供應系統相關產業會有很大的幫助,亦可將此種技術轉移給有需要的廠商。