浅谈电源供应器在主动钳位(Active-Clamp)与半桥共振(LLC)的线路设计参考专栏I：输出电容设计

交换式电源供应器之输出电容设计考量的重点大概分两项，一、涟波电流耐受力（跟电容的等效电阻(ESR)有关），二、暂态负载响应力（跟电容的容量(capacitance)有关）。线路设计基本上输出电容的选择要考量这两项重点，接下来的内容将分享在主动钳位(active-clamp)与半桥共振(LLC)的输出电容选择与线路差异。

 

本文採用科学模拟软体Simetrix进行验証及比对的做法以客观陈述设计考量，而建模型要求必须个别建立主动钳位与半桥共振模型，并且模型需尽量包含完整电路结构。应该由一次测控制器(PWM)、主开关元件、变压器、共振元件、二次测整流开关元件、滤波电感、滤波电容和回授单元组成。為了能将模拟结果呈现在一起，将主动钳位与半桥共振模型结合在一个专案裡，让它们同时一起进行模拟演算。本模拟设计规格為12V(51.3A) 615W单组输出，如下图所示(上半部為LLC convertor,下半部是Active-clamp convertor)。

本模拟目标着重於输出电容的涟波电流值大小，因此负载条件设定满载情况下，来量取电容C5(LLC的输出电容)和C12(Active-clamp的输出电容)两者的涟波电流值。量测结果如下波形图所示，LLC(C5)涟波电流值為22.82A而Active-clamp(C12)涟波电流值為1.96A且其值远小於LLC。

 

接着将两架构配上适合的电容器，主动钳位(Active-clamp) 涟波电流值小，所以选择KY系列1500uF16V*2电解电容，它满足涟波电流餘裕度(derating)小於1要求，试算1.96A/1.91A*2 =0.51结果為0.51<1，也有3000uF容量足以应负暂态负载响应力、另外半桥共振(LLC) 涟波电流值非常大，因此选择PSC固态系列470uF16V*4电解电容，它涟波电流餘裕度可小以1，试算22.82/6.1*4=0.934结果為0.934<1，电容為1880uF也足以应负暂态负载响应。

综合上述电容选择的结果，可认知半桥共振(LLC)架构选用多颗固态电容有绝对必要，至於电容器的损耗差异性，主动钳位(Active-clamp)损耗计算=33mΩ*1.96^2=127mW (每颗损耗=63.5mW)，而半桥共振(LLC)损耗计算=(10mΩ/4)*22.82^2=1.3W(每颗损耗=325mW)，就电容器的损耗观点来看半桥共振(LLC)比较高。

 

从电容器的寿命计算和设计来比较，参考Nippon Chemi-Con的Lifetime Estimation技术文件，得知固态电容与电解电容的寿命遵循阿瑞尼斯（Arrhenius's Law）定律，温度每上升10°C会造成寿命减半。接着将电容参数填入寿命公式(lifetime estimation equation)求得时间值：

 

主动钳位(Active-clamp)电容寿命:KY电容寿命7kHr 105°C

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

 

半桥共振(LLC)电容寿命: PSC电容寿命15kHr 105°C

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

 

从上述计算结果可显示出半桥共振(LLC)使用15KHr固态电容寿命表现与主动钳位(Active-clamp) 使用7KHr电解电容寿命相差很小，与外界传言说的半桥共振(LLC)使用15KHr固态电容寿命特别优异於使用电解电容的主动钳位(Active-clamp)架构的问题。

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.

 

全汉企业的电源供应器产品齐全，主动钳位(active-clamp)与半桥共振(LLC)的线路设计被广泛使用在我们的产品范畴里，以客观的评论分享输出电容设计考量。