基于ST STM32G474之500W全橋相移零電壓切換直流-直流轉換器數位電源方案

隨著(zhù)科技的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品日新月異與半導體制程技術(shù)進(jìn)步，電子產(chǎn)品逐漸要求體積小且效率高。過(guò)去研究線(xiàn)性式電源供應器(Linear Power Supply)設計使用較大的隔離變壓器，其轉換效率較低且產(chǎn)生較多的熱，故需要體積較大的散熱片，因而被切換式電源供應器取代。
       切換式電源供應器(Switching Power Supply)取代線(xiàn)性式電源供應器，電源供應器若提升切換頻率，可以有效縮小變壓器與電感鐵芯的體積、降低輸入、輸出電容的容值，并且效率較線(xiàn)性式電源供應器高，因此切換式電源供應器具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)；一般切換式電源供應器采用傳統硬式切換，功率晶體管操作頻率增加時(shí)，功率晶體管的切換損失也隨著(zhù)增加，功率晶體管使用的散熱片不僅體積變大并且使效率降低。
       一般硬式切換(Hard Switching)是當功率晶體管在切換時(shí)，因為變壓器一次側諧振電感、線(xiàn)路雜散電感與功率晶體管的寄生電容，導致功率晶體管導通時(shí)，汲極－源極(Drain-Source)電壓尚未降零，功率晶體管的汲極－源極電流已經(jīng)開(kāi)始上升，造成功率晶體管導通時(shí)的切換損失；功率晶體管截止時(shí)，功率晶體管的 尚未降為零，功率晶體管的 已經(jīng)開(kāi)始上升，造成功率晶體管截止時(shí)的切換損失，導通時(shí)功率晶體管之汲極－源極的電流快速上升產(chǎn)生電流突波，此電流突波可能導致功率晶體管燒毀，截止時(shí)功率晶體管之汲極－源極的電壓快速上升產(chǎn)生電壓突波，此電壓突波可能導致功率晶體管燒毀，因此使用硬式切換造成功率晶體管須承受更大的切換突波(Switching Surge)以及切換損失，隨著(zhù)切換頻率提升，電路整體的效率也會(huì )跟著(zhù)下降。使用硬式切換會(huì )產(chǎn)生切換突波，也會(huì )造成噪聲干擾誤動(dòng)作，導致功率晶體管穩定性與電路效率下降。
       因此若采用柔性切換的技術(shù)，可大幅改善功率晶體管的切換損失。采用全橋相移式架構，利用電路隔離變壓器一次側漏感(Leakage Inductance)與外加諧振電感兩者之和即為諧振電感與功率晶體管之寄生電容達到共振效果，使功率晶體管導通前其汲極－源極電壓降為零，即為零電壓切換，讓電路整體效率提升。柔性切換中使用零電流切換即為功率晶體管截止時(shí)，功率晶體管的電流已經(jīng)下降至零后其電壓才開(kāi)始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低截止時(shí)之切換損失；零電壓切換即為功率晶體管導通時(shí)，功率晶體管的電壓已經(jīng)下降至零后其電流才開(kāi)始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低導通時(shí)之切換損失。柔性切換技術(shù)可以降低硬式切換的切換損失，并抑制切換突波，降低電磁干擾，增加功率晶體管性能。

?場(chǎng)景應用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

STM32G4系列基于ST現有的高性能和高能效創(chuàng )新技術(shù)，例如，ART Accelerator?和CCM-SRAM Routine Booster分別提升了內存-高速緩存的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)訪(fǎng)存性能，確保應用整體性能和實(shí)時(shí)性能俱佳，同時(shí)功耗在能效預算范圍內。ST的新硬件數學(xué)加速器再次提升芯片的運算性能，引入Filter-Math Accelerator（FMAC）濾波算法加速器和CORDIC專(zhuān)用引擎。新硬件加速器可以加快一些算法的指令周期，例如，電機控制應用中的旋轉和向量三角法，以及一般的對數、雙曲線(xiàn)和指數函數、訊號調理IIR / FIR濾波算法或數字電源3p / 3z控制器，以及卷積和相關(guān)函數等向量函數。STM32G4系列基于一顆170MHz的Arm?Cortex?-M4高速內核，具有浮點(diǎn)單元和DSP擴展指令集支持功能，性能測試取得213DMIPS和550 CoreMark?[1]的優(yōu)異成績(jì)。從先進(jìn)的工藝技術(shù)和系統架構功能，到先進(jìn)的外設睡眠/喚醒管理功能，節能創(chuàng )新技術(shù)無(wú)處不在。

其它重要的新功能包括：

? 一個(gè)高分辨率定時(shí)器，有12個(gè)獨立信道，每個(gè)信道分辨率為184ps，有溫漂和電壓漂移自補償功能

? 多達25個(gè)先進(jìn)模擬外設：       

- 多達5個(gè)400萬(wàn)次/秒12位模數轉換器（ADC），有硬件過(guò)采樣功能，可實(shí)現16位分辨率       

- 多達6個(gè)高速、高增益帶寬運算放大器，內部1％增益設定       

- 多達7個(gè)1500萬(wàn)次/秒12位數模轉換器（DAC）       

- 多達7個(gè)比較器，傳播延遲為16.7ns

? CAN-FD工業(yè)通訊技術(shù)，有效載荷比特率是標準CAN的8倍

? 運行模式功耗低于165μA/ MHz，延長(cháng)電池續航時(shí)間

? 容量更大的片上RAM，高達128KB，有同位功能

? 閃存容量高達512KB，有錯誤校驗功能（ECC）

? 增加DMA和外部中斷的靈活可變性

? 為優(yōu)化數字或模擬功能，分為三大產(chǎn)品系列：基本系列、增強系列和高分辨率系列

因此，新G4系列完善了現有的STM32F3系列。G4的性能是F3的三倍，最高工作溫度達到125°C，雙區內存支持實(shí)時(shí)韌體升級，增加LQFP80和LQFP128等新封裝。STM32G4穩健性很強，抗電氣干擾，特別是快速瞬態(tài)脈沖（FTB）耐受能力最高達到5

?方案規格

1. Input Voltage: 400V；

2. Output Voltage: 12V;

3. Output Power: 500W;

4. Maximum Output Current: 42A;

5. Switching Frequency: 100kHz.