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

隨著科技的迅速發展，電子產品日新月異與半導體制程技術進步，電子產品逐漸要求體積小且效率高。過去研究線性式電源供應器(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、效率高的優點；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，功率晶體管的切換損失也隨著增加，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，因為變壓器一次側諧振電感、線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，汲極－源極(Drain-Source)電壓尚未降零，功率晶體管的汲極－源極電流已經開始上升，造成功率晶體管導通時的切換損失；功率晶體管截止時，功率晶體管的 尚未降為零，功率晶體管的 已經開始上升，造成功率晶體管截止時的切換損失，導通時功率晶體管之汲極－源極的電流快速上升產生電流突波，此電流突波可能導致功率晶體管燒毀，截止時功率晶體管之汲極－源極的電壓快速上升產生電壓突波，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，隨著切換頻率提升，電路整體的效率也會跟著下降。使用硬式切換會產生切換突波，也會造成噪聲干擾誤動作，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，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，功率晶體管的電流已經下降至零后其電壓才開始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低截止時之切換損失；零電壓切換即為功率晶體管導通時，功率晶體管的電壓已經下降至零后其電流才開始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低導通時之切換損失。柔性切換技術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。

?場景應用圖

?產品實體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術優勢

STM32G4系列基于ST現有的高性能和高能效創新技術，例如，ART Accelerator?和CCM-SRAM Routine Booster分別提升了內存-高速緩存的動態和靜態訪存性能，確保應用整體性能和實時性能俱佳，同時功耗在能效預算范圍內。ST的新硬件數學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]的優異成績。從先進的工藝技術和系統架構功能，到先進的外設睡眠/喚醒管理功能，節能創新技術無處不在。

其它重要的新功能包括：

? 一個高分辨率定時器，有12個獨立信道，每個信道分辨率為184ps，有溫漂和電壓漂移自補償功能

? 多達25個先進模擬外設：       

- 多達5個400萬次/秒12位模數轉換器（ADC），有硬件過采樣功能，可實現16位分辨率       

- 多達6個高速、高增益帶寬運算放大器，內部1％增益設定       

- 多達7個1500萬次/秒12位數模轉換器（DAC）       

- 多達7個比較器，傳播延遲為16.7ns

? CAN-FD工業通訊技術，有效載荷比特率是標準CAN的8倍

? 運行模式功耗低于165μA/ MHz，延長電池續航時間

? 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

? 為優化數字或模擬功能，分為三大產品系列：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，雙區內存支持實時韌體升級，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.