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LLC谐振如此多娇,引高阶电源竞折腰深入剖析动态混合变频变压

2020-05-21 点赞:830 浏览量:332
电源供应器
  • LLC谐振如此多娇,引高阶电源竞折腰深入剖析动态混合变频变压谐振技术

    LLC谐振如此多娇,引高阶电源竞折腰深入剖析动态混合变频变压

    随着电脑平台系统功耗与日渐增,各家电源供应器大厂纷纷祭出千瓦级重兵器,除了满足金字塔顶端玩家们的需求之外,往往也包含了技术宣誓的成份。然而,在纷乱的世道里,各家皆宣称独家技术过人,而到底孰优孰劣?

    今天就让憨人胖达带你走一遍交流电转换成直流电的旅程,让你彻底搞懂什幺叫作逸品级电源供应器。

    LLC谐振如此多娇,引高阶电源竞折腰深入剖析动态混合变频变压

    ■ 双管正激 vs. LLC谐振

    对于目前个人电脑领域所使用的电源供应器来说,想要得到最杰出的功率转换表现,似乎渐渐走向两大流派。传统保守派採用双管正激(Two-Transistor Forward Converter)架构,当交流电输入导通移转后,使变压器绕组(winding)承受反相输入电压,从而实现变压器磁複位,最终于在死区(Dead-Zone)阶段完全複位;过程中双MOSFET上的电压应力至少低于单管正激一倍,有效压低转换损耗。改革进步派则採行先进的LLC谐振架构(LLC Resonant Converter),相较之下,能够避免传统派为达金牌水準,最终走上疯狂堆料的不归路;反映在售价上消费者不愿买单,造成双输的局面,最后只能偷料打折跳水卖,走向恶性循环。然而,LLC谐振半桥架构虽属优异,但线路设计上较具挑战性,就像快速直球般,正面考验厂商的研发实力,因此虽说採LLC谐振架构者所在多有,但像憨人胖达手上这颗安耐美REVOLUTION87+ 1000W布局精湛、用料大气的电源供应器实属凤毛麟角,相当罕见。

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    图 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000的电力规格及安规表

    ■ 许你一个完整的两级EMI滤波

    众所周知,家中插座提供的交流电,首先经过电源供应器内的EMI滤波模组,将高频杂讯滤除,初步净化台电送来的电力;尤其对于线路老旧的陈年公寓来说,良好的EMI滤波模组可以改善前端骯髒的供电品质,有益元件寿命。安耐美REVOLUTION87+ 1000W的一级EMI採用独立模组设计,滤波侧看上去使用了一对Y电容、两个X电容,以及一个共模电感;电流经过一级EMI之后来到了二级EMI滤波侧。首先,电流走到一个精心设计,足以过滤GHz级杂讯的磁环,再流经保险丝,透过共模电感,来到压敏电阻,準备进入整流阶段。朋友们可能不知道,不是每一颗电源供应器都俱有二级EMI滤波侧,许多包装华丽,命名夸张的商品,往往把成本预算砸在广告行销上,却不愿意下功夫开大门、走大路;要知道二级EMI对于降低电磁的传导干扰与辐射干扰有极大的帮助,对于一颗够格的中高阶电源来说,胖达认为完整的两级EMI滤波绝不可少!

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    图 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000W的两级EMI滤波设计极为优秀。

    ■ 系出名门整流桥 新元LL25XB60

    经过两次的EMI滤波之后,供电起点里的杂波可说被过滤得相当洁净,紧接而来的,电流即将踏入整流桥;这是电源供应器的好戏之一,主要任务是将交流电转变为直流电,因此整流桥用料的优劣胜败,对于电源转换效率有着关键性的影响。由内部拆解可以发现,安耐美REVOLUTION87+ 1000W选用日系大厂新元(Shindengen)电机出品的LL25XB60,具有low VF 低顺向电压之特性,使整流桥功率损失比起一般凡品要来得低,有效提高整体电源效率;LL25XB60最大耐压600V,允许通过最高25A的电流,工作温度适用于-55℃至150℃之间。耐人寻味的是,按本机金牌转换效率87%来计算,该整流桥之最大输出功率为2392.5W,远远超过1000W的产品规格两倍有余!并用心在体侧加装了鳍型散热片,只能说REVOLUTION87+ 1000W保持了安耐美在用料方面,一贯豪华奢侈不手软的风格,令憨人胖达十分欣赏。

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    图 / 新元LL25XB60整流桥的卢山真面目。

    ■ 更加先进的主动式功率因素校正电路(Active Power Factor Correction)

    经过整流桥后,电流抵达PFC一次侧。作为一个优质的电源供应器,安耐美REVOLUTION87+ 1000W的主动式功率因素校正电路(APFC)具备全域电压(Full Range)特性,自动侦测输入电源的电压,通吃100V~240V的交流电。
    但安耐美的APFC不单是憨人想得这幺简单,当中另有玄机;REVOLUTION87+ 1000W 的PFC电路设计十分出色,搭载了名闻遐迩的零电压切换技术,也就是世人俗称的ZVS(Zero Voltage Switch)PFC设计,十分先进。

    由内部拆解可以发现,漆黑的散热片下,採用了三枚为APFC电路工作的MOSFET,两枚是由Toshiba K20J60U并联,漏源电压600V,最高耐电流20A,导通电阻为0.165Ω,配合一个C3D08060A碳化硅萧特基二极体,零逆向回覆电流的特性,使整流桥功率损失降低,变相再提高整体电源效率,确保极高的功率因数(Power Factor)。

    另一方面,PFC电路上另外两样重要元件,保锐也找来了两位高手付以重任。首先是PFC电感线圈,1mm的线径非常扎实,而且绕线极其用心,同时作工精细,看起来极为赏心悦目,胖达给予这个部份「艺术品」的评价。其次,则是电容器部份用了两颗Panasonic国际牌精实好料,耐压400V、容量390μF、耐温105℃,以1000瓦电源供应器来说,如此用料简直是佛心来着。

    而在幕后操盘,指挥APFC电路上每一位精兵,使各单位发挥战力的指挥官,则出自台湾大厂虹冠电子CM6502晶片之手。这枚晶片具备PFC输出电压分段控制的特性,和LLC谐振电路的搭配可说是赤兔马遇上关老爷,简直是天生一对。

    CM6502在交流电压低于150V,负载低于40%时,PFC一次侧输出电压将从380V降到342V,在低负载的情况下,能够再提高2%的转换效率,这项惊人的创新技术,称之为「动态混合变频变压谐振技术」(Dynamic Hybrid Transformer Topology),实现超高省电效能,及动态负载环境下高稳定电力输出。

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    图 / 艺术品级作工的电感线圈,以及精实的国际牌电容。

    ■ 安耐美终极杀阵 LLC谐振半桥架构(LLC Half-Bridge Resonant Converter)

    无庸置疑,LLC谐振架构绝对是当今x86电脑中,电源供应器领域里转换效率最高的电源架构。而在APFC电路后端接力的,即为千呼万唤始出来、教无数POWER竞折腰的LLC谐振半桥架构(LLC Half-Bridge Resonant Converter)。
     

    LLC谐振半桥转换属于软性切换拓朴当中的一种,主要的优点在于转换效率高、体积小、废热低、EMI少等族繁不及备载。而安耐美REVOLUTION87+ 1000W 的LLC谐振半桥电路,主要由待机变压器、主变压器、驱动变压器、谐振电容、谐振电感所构成;此架构搭配的MOSFET同为TOSHIBA TK20J60U,而整个架构中的要角,当属虹冠电子出品的CM6901控制晶片,保锐选用CM6901多元化控制IC,操作 SRC及LLC 频段,具体实现同步整流控制功能(SR),再次提系统整体转换效率,执行所谓的「同步混合谐振架构」(SRC+LLC+SR),简称之为SLS。憨人胖达在此附带一提,CM6901同样在运作过程中,会根据不同的负载,改变自身的频率,可说是非常优秀的电路指挥官。

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    图 / 1.待机变压器、2.主变压器、3.驱动变压器、4.谐振电容、5.谐振电感,由五大元件

    组成的LLC谐振半桥架构。

    黄色框内为APFC电路;蓝色框内为两级EMI滤波侧;灰色框内为二次整流侧;绿色框内为新元LL25XB60整流桥。

    安耐美Revolution 87+ 1000W将家中市电转换成电脑零件用直流电的旅程︰

    100V~240V交流电→两级EMI滤波侧→整流桥→APFC电路→LLC谐振半桥→12V直流电→DC TO DC模组→5V/3.3V直流电。

    ■ 一遇风云便化龙的二次侧整流

    一次侧属于高压系统,到了二次侧便把一次侧的源讯透过互感器,将电压降低,以便后续处理。电流通过一次侧LLC谐振半桥后,经历了高压阶段的逆变过程,将电流转性为高压脉冲直流电,透过相对应的变压器转换后,输出平台所需之电压。然而,此时的电流并不能直接使用,需再经整流阶段,如同「鱼跃龙门化为龙」一般,方能成为电脑各大零组件运作使用的直流电。

    安耐美REVOLUTION87+ 1000W于此处布设了六颗英飞凌Infineon出品的IPP041N04 Mosfet,每颗耐压40V,最大耐电流80A,导通电阻为4.1 mΩ,工作耐温100℃。透过CM6901的SR输出控制,构成同步整流,在最低的功率损失下,将主变压器次级绕组输出,进行全波整流,种换成平台所需的12V直流。

    所谓善始善终,将目光放到模组化输出插座电路板,明显发现线路部份以敷锡方式,加强电流承载能力,12V部分确实分流,将PCIE洁净无比的稳定电流,分别输出分配给平台各装置使用。另一方面,从元件属性与数量来看,换算最大输出功率,已经远超出额定输出所要求。

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    图 / 半模组化设计,已成为当今高瓦数电源供应器之主流。

    ■ 5V / 3.3V DC TO DC Converter 走在时代尖端的设计

    传统电源5V与3.3V大多透过变压器直接变压输出,另一种作法则是由5V变压器变压后输出,透过电感线圈,将5V转换成3.3V。但是无论使用哪一种方案,在高负载或是负载落差过大时,将难以避免,容易遇到不稳定的电压输出;对于一些小週边像是随身碟,或是喜欢拿主机板USB埠来充电的朋友来说,实在是不可不慎!

    而现今比较先进的处理对策,当属如雷灌耳的DC TO DC技术。安耐美REVOLUTION87+ 1000W透过两组独立电路子板,经由12V转换得到3.3V/5V;12V输出端储能与滤波用电容则巧妙地採取混搭方式,同时安装传统电解电容及固态电容,让两种电容的特性彼此互补,彻底强化储能及滤波的功能;其中输入端採用16V、470μF滤波固态电容,输出端则使用6.3V、820μF滤波固态电容;传统电解电容部份则採用了Nippon Chemi-con KZE系列105度电解电容。而操控DC TO DC Converter模组的灵魂,则是茂达电子的得意之作APW7073A晶片,笔者发现,自从DC TO DC现身消费级採购市场之后,使得5V与3.3V的转换效率大幅跃昇,电压偏移现象更有了偌大的改善,因此也越来越多大厂趋之若鹜,仿傚学习。

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    图 / 可看见两块独立模组上,清楚标记着5V与3.3V字体;两者独立、各司其职。

    ■ 保锐用心 值得肯定

    笔者苦思数日、翻阅无数期刊,大胆推想︰「保锐元件用料,样样几乎都是额定规格两倍有余,除了在使用寿命上更加绵延之外,是否还有其他理由?」直至找到一份详载「动态混合变频变压谐振」的技术文件后,憨人才恍然大悟!由于当中关键元件CM6502,在交流电压低于150V,负载低于40%时,能够再提高2%的转换效率;据此胖达推测,台湾常用市电为110V,符合第一个条件(交流电压低于150V),而为了达成负载低于40%这项必要条件,以利于运行动态混合变频变压谐振技术,是以将所有的元件规格都拉高两倍等级,确保玩家即使在满载千瓦额定负载时,也能充份享受到这个崭新的优秀架构。保锐如此偏执顽固于对的事,只为带给消费者实实在在的品质,在胖达眼中看来,简直是一家濒绝种保育类佛心厂商;笔者深信「天道酬勤,商道酬信」的至理,更相信一定会有越来越多睿智的行家,理解安耐美在本业上的用心与坚持。

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    图 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000W採用专利磁力滚珠轴承

    大风扇,超静音、寿命长、散热强。

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    图 / 千万别误会这是乱焊糊成一团。这是所谓的敷锡处理,加强电流承载能力。
     

    规格

    最大输出功率

    1000W

    80PLUS认证

    金牌

    +12V设计

    四组

    接线设计

    半模组化

    电源线

    主机板×1、CPU×2、PCI-E×4、SATA/IDE×5

    接头数

    主机板20+4pin×1
    CPU 4pin×1、CPU EPS 8pin ×1
    PCI-E 6+2pin×4
    SATA×12、大4pin×8、小4pin×1

    体积深度

    18 cm

    风扇大小

    13.9 cm

    保固

    五年保固

    厂商名称 保锐科技股份有限公司
    网  址 联络电话 (03)316-1675
     

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