基于ST STM32G474之500W全桥相移零电压切换直流-直流转换器数位电源方案

       随着科技的迅速发展,电子产品日新月异与半导体制程技术进步,电子产品逐渐要求体积小且效率高。过去研究线性式电源供应器(Linear Power Supply)设计使用较大的隔离变压器,其转换效率较低且产生较多的热,故需要体积较大的散热片,因而被切换式电源供应器取代。

       切换式电源供应器(Switching Power Supply)取代线性式电源供应器,电源供应器若提升切换频率,可以有效缩小变压器与电感铁芯的体积、降低输入、输出电容的容值,并且效率较线性式电源供应器高,因此切换式电源供应器具有体积小、重量轻、效率高的优点;一般切换式电源供应器采用传统硬式切换,功率晶体管操作频率增加时,功率晶体管的切换损失也随着增加,功率晶体管使用的散热片不仅体积变大并且使效率降低。

       一般硬式切换(Hard Switching)是当功率晶体管在切换时,因为变压器一次侧谐振电感、线路杂散电感与功率晶体管的寄生电容,导致功率晶体管导通时,汲极-源极(Drain-Source)电压尚未降零,功率晶体管的汲极-源极电流已经开始上升,造成功率晶体管导通时的切换损失;功率晶体管截止时,功率晶体管的 尚未降为零,功率晶体管的 已经开始上升,造成功率晶体管截止时的切换损失,导通时功率晶体管之汲极-源极的电流快速上升产生电流突波,此电流突波可能导致功率晶体管烧毁,截止时功率晶体管之汲极-源极的电压快速上升产生电压突波,此电压突波可能导致功率晶体管烧毁,因此使用硬式切换造成功率晶体管须承受更大的切换突波(Switching Surge)以及切换损失,随着切换频率提升,电路整体的效率也会跟着下降。使用硬式切换会产生切换突波,也会造成噪声干扰误动作,导致功率晶体管稳定性与电路效率下降。

       因此若采用柔性切换的技术,可大幅改善功率晶体管的切换损失。采用全桥相移式架构,利用电路隔离变压器一次侧漏感(Leakage Inductance)与外加谐振电感两者之和即为谐振电感与功率晶体管之寄生电容达到共振效果,使功率晶体管导通前其汲极-源极电压降为零,即为零电压切换,让电路整体效率提升。柔性切换中使用零电流切换即为功率晶体管截止时,功率晶体管的电流已经下降至零后其电压才开始上升,使功率晶体管上电压与电流的乘积为零,降低截止时之切换损失;零电压切换即为功率晶体管导通时,功率晶体管的电压已经下降至零后其电流才开始上升,使功率晶体管上电压与电流的乘积为零,降低导通时之切换损失。柔性切换技术可以降低硬式切换的切换损失,并抑制切换突波,降低电磁干扰,增加功率晶体管性能。

场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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核心技术优势

STM32G4系列基于ST现有的高性能和高能效创新技术,例如,ART Accelerator™和CCM-SRAM Routine Booster分别提升了内存-高速缓存的动态和静态访存性能,确保应用整体性能和实时性能俱佳,同时功耗在能效预算范围内。ST的新硬件数学加速器再次提升芯片的运算性能,引入Filter-Math Accelerator(FMAC)滤波算法加速器和CORDIC专用引擎。新硬件加速器可以加快一些算法的指令周期,例如,电机控制应用中的旋转和向量三角法,以及一般的对数、双曲线和指数函数、讯号调理IIR / FIR滤波算法或数字电源3p / 3z控制器,以及卷积和相关函数等向量函数。STM32G4系列基于一颗170MHz的Arm®Cortex®-M4高速内核,具有浮点单元和DSP扩展指令集支持功能,性能测试取得213DMIPS和550 CoreMark®[1]的优异成绩。从先进的工艺技术和系统架构功能,到先进的外设睡眠/唤醒管理功能,节能创新技术无处不在。 其它重要的新功能包括: • 一个高分辨率定时器,有12个独立信道,每个信道分辨率为184ps,有温漂和电压漂移自补偿功能 • 多达25个先进模拟外设: - 多达5个400万次/秒12位模数转换器(ADC),有硬件过采样功能,可实现16位分辨率 - 多达6个高速、高增益带宽运算放大器,内部1%增益设定 - 多达7个1500万次/秒12位数模转换器(DAC) - 多达7个比较器,传播延迟为16.7ns • CAN-FD工业通讯技术,有效载荷比特率是标准CAN的8倍 • 运行模式功耗低于165μA/ MHz,延长电池续航时间 • 容量更大的片上RAM,高达128KB,有同位功能 • 闪存容量高达512KB,有错误校验功能(ECC) • 增加DMA和外部中断的灵活可变性 • 为优化数字或模拟功能,分为三大产品系列:基本系列、增强系列和高分辨率系列 因此,新G4系列完善了现有的STM32F3系列。G4的性能是F3的三倍,最高工作温度达到125°C,双区内存支持实时韧体升级,增加LQFP80和LQFP128等新封装。STM32G4稳健性很强,抗电气干扰,特别是快速瞬态脉冲(FTB)耐受能力最高达到5

方案规格

1. Input Voltage: 400V; 2. Output Voltage: 12V; 3. Output Power: 500W; 4. Maximum Output Current: 42A; 5. Switching Frequency: 100kHz.

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