基於ST STF24N65M2的240W自驅半有源橋整流方案

自從PD電源問世以來，給人們的生產生活帶來了翻天覆地的變化，不僅僅是滿足了人們對充電時間短的迫切需求，也帶來了人們對節能降耗的持續關注。從45W到65W，再到120W甚至240W，充電功率越來越大，這樣帶來的好處就是可以極大地減少充電時間。隨著充電功率的增大，對電源效率的要求也變得越來越高。效率高就意味著節能，在相同輸出功率下，消耗的電能就越小。同時電源的發熱量也低，可大大提高電源的使用壽命。

目前設計一款電源，除了要滿足最基本的性能外，還要考慮體積與散熱的問題。體積大小我們第一眼就能看到，所以體積很重要。而電源的散熱能力與其表面積大小成正比，也就是說看起來表面積大的電源，其散熱能力一般比較強，但加風扇散熱的除外。前段時間本人就購買了一台遊戲本電腦，其電源適配器功率為240W，比起以前65W的電源適配器，其在體積上大了3倍，功率上卻提高了4倍。這是因為大功率電源的功率密度要遠遠高於小功率電源，65W的電源適配器採用普通的反激式開關拓撲，而240W的電源適配器採用了高效率的LLC開關拓撲，LLC開關拓撲還是軟開關的，其最高效率可達98%以上。而反激式開關拓撲的最高效率只有94%，而且已經很難再繼續提升。

按照國內對功率因素的要求，對於大於65W的開關電源必須要滿足相關諧波標準，也就是要有功率因素校正電路。而功率因素校正電路就是指PFC電路。240W的適配器電源內部由兩部分組成，前級是PFC電路，後級是LLC拓撲。前級的PFC電路又採用了BOOST升壓拓撲，恆壓400V後再給到後級的LLC。由於BOOST拓撲是一種DC-DC轉換器，而輸入的卻是AC交流電，所以輸入端還必須要有AC-DC的整流橋。整流橋的作用是把交流電轉變成直流電，整流橋的內部是由4顆矽整流二極體構成，而這4顆矽整流二極體連接成H橋的形式，所以整流橋又叫H橋。

整流橋是有損耗的，這一點毋庸置疑。整流橋的損耗是由流過的電流大小決定，由於整流橋的壓降相對恆定，單顆二極體正向壓降一般為0.4V左右，所以計算損耗就把電流乘以0.4就行了。以240W的遊戲本電腦適配器為例，在滿載情況下，低壓90v交流輸入時的有效值電流為3.1A，橋堆損耗功率是3.1×0.4×2=2.48W。損耗功率拉低了整機的能效，而且損耗的功率是以熱量的形式發散到周圍，這也提升了整個電源的工作溫度，加劇了電源的散熱難度。從測試的數據看，橋堆的工作溫度已經達到了驚人的112℃。

為了解決橋堆的功耗問題，人們想到了用無橋PFC的架構來做的思路，所謂的無橋就是指用開關管代替矽二極體，因為開關管的正向壓降非常低，遠遠低於二極體的0.4V，所以幾乎不存在損耗的問題。但無橋PFC電路複雜，不適合做幾百瓦左右功率的電源，折中考慮還是用有源橋方案更適合。有源橋與無橋的原理大致是一樣的，都是用開關管代替矽整流二極體來實現整流。二者不同的是，無橋PFC的整流部分與功率因素校正部分是一體的，而有源橋的整流部分與功率因素校正部分是分開的。

本實施例的有源橋方案採用自驅半有源橋的形式，結合電路圖可知，自驅的好處顯而易見，除了不需要驅動IC外，整個電路還極其簡單。在有交流電輸入的情況下，L與N交替出現正負半周的正弦波，兩個下管Q1和Q2也交替導通。Q1與Q2的管子型號是STF24N65M2，出自意法半導體。交替導通的兩個管子具有互鎖功能，即在同一個正弦半周期內只有一個管子會導通，另一個管子處於截止狀態，這樣就保證了管子的安全性與可靠性。前面說了管子的導通壓降非常低，所以自驅半有源橋的損耗為普通整流橋損耗的一半。具體的對比測試數據見附件表格。

對於有源橋整流的可靠性與安全性，很多電源工程師對此都有一定的疑慮，因為開關管的耐壓一般選取650V，而矽二極體的耐壓可選取800V或1000V，在雷擊浪涌方面選用二極體整流橋方案明顯會更可靠一些。當然這一點確實如此，但隨著技術的發展，人們對能效的要求越來越高，普通整流橋方案就顯得有些力不從心了。在一台電源中，溫度最高的元件往往就是整流橋，所以整流橋溫升反而成了制約電源發展的絆腳石，而有源橋技術卻可以輕鬆解決這個讓電源工程師頭痛的難題，讓電源能效再次飛躍！