LLC諧振如此多嬌,引高階電源競折腰深入剖析動態混合變頻變壓諧振技術

 

隨著電腦平臺系統功耗與日漸增,各家電源供應器大廠紛紛祭出千瓦級重兵器,除了滿足金字塔頂端玩家們的需求之外,往往也包含了技術宣誓的成份。然而,在紛亂的世道裡,各家皆宣稱獨家技術過人,而到底孰優孰劣?

今天就讓憨人胖達帶你走一遍交流電轉換成直流電的旅程,讓你徹底搞懂什麼叫作逸品級電源供應器。

 

 

 

 

■ 雙管正激 vs. LLC諧振

對於目前個人電腦領域所使用的電源供應器來說,想要得到最傑出的功率轉換表現,似乎漸漸走向兩大流派。傳統保守派採用雙管正激(Two-Transistor Forward Converter)架構,當交流電輸入導通移轉後,使變壓器繞組(winding)承受反相輸入電壓,從而實現變壓器磁複位,最終於在死區(Dead-Zone)階段完全複位;過程中雙MOSFET上的電壓應力至少低於單管正激一倍,有效壓低轉換損耗。改革進步派則採行先進的LLC諧振架構(LLC Resonant Converter),相較之下,能夠避免傳統派為達金牌水準,最終走上瘋狂堆料的不歸路;反映在售價上消費者不願買單,造成雙輸的局面,最後只能偷料打折跳水賣,走向惡性循環。然而,LLC諧振半橋架構雖屬優異,但線路設計上較具挑戰性,就像快速直球般,正面考驗廠商的研發實力,因此雖說採LLC諧振架構者所在多有,但像憨人胖達手上這顆安耐美REVOLUTION87+ 1000W佈局精湛、用料大氣的電源供應器實屬鳳毛麟角,相當罕見。

 

圖 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000的電力規格及安規表

 

 

 

■ 許你一個完整的兩級EMI濾波

眾所周知,家中插座提供的交流電,首先經過電源供應器內的EMI濾波模組,將高頻雜訊濾除,初步淨化臺電送來的電力;尤其對於線路老舊的陳年公寓來說,良好的EMI濾波模組可以改善前端骯髒的供電品質,有益元件壽命。安耐美REVOLUTION87+ 1000W的一級EMI採用獨立模組設計,濾波側看上去使用了一對Y電容、兩個X電容,以及一個共模電感;電流經過一級EMI之後來到了二級EMI濾波側。首先,電流走到一個精心設計,足以過濾GHz級雜訊的磁環,再流經保險絲,透過共模電感,來到壓敏電阻,準備進入整流階段。朋友們可能不知道,不是每一顆電源供應器都俱有二級EMI濾波側,許多包裝華麗,命名誇張的商品,往往把成本預算砸在廣告行銷上,卻不願意下功夫開大門、走大路;要知道二級EMI對於降低電磁的傳導干擾與輻射干擾有極大的幫助,對於一顆夠格的中高階電源來說,胖達認為完整的兩級EMI濾波絕不可少!

 

圖 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000W的兩級EMI濾波設計極為優秀。

 

 

 

■ 系出名門整流橋 新元LL25XB60

經過兩次的EMI濾波之後,供電起點裡的雜波可說被過濾得相當潔淨,緊接而來的,電流即將踏入整流橋;這是電源供應器的好戲之一,主要任務是將交流電轉變為直流電,因此整流橋用料的優劣勝敗,對於電源轉換效率有著關鍵性的影響。由內部拆解可以發現,安耐美REVOLUTION87+ 1000W選用日系大廠新元(Shindengen)電機出品的LL25XB60,具有low VF 低順向電壓之特性,使整流橋功率損失比起一般凡品要來得低,有效提高整體電源效率;LL25XB60最大耐壓600V,允許通過最高25A的電流,工作溫度適用於-55℃至150℃之間。耐人尋味的是,按本機金牌轉換效率87%來計算,該整流橋之最大輸出功率為2392.5W,遠遠超過1000W的產品規格兩倍有餘!並用心在體側加裝了鰭型散熱片,只能說REVOLUTION87+ 1000W保持了安耐美在用料方面,一貫豪華奢侈不手軟的風格,令憨人胖達十分欣賞。

 

圖 / 新元LL25XB60整流橋的盧山真面目。

 

 

 

■ 更加先進的主動式功率因素校正電路(Active Power Factor Correction)

經過整流橋後,電流抵達PFC一次側。作為一個優質的電源供應器,安耐美REVOLUTION87+ 1000W的主動式功率因素校正電路(APFC)具備全域電壓(Full Range)特性,自動偵測輸入電源的電壓,通吃100V~240V的交流電。
但安耐美的APFC不單是憨人想得這麼簡單,當中另有玄機;REVOLUTION87+ 1000W 的PFC電路設計十分出色,搭載了名聞遐邇的零電壓切換技術,也就是世人俗稱的ZVS(Zero Voltage Switch)PFC設計,十分先進。

由內部拆解可以發現,漆黑的散熱片下,採用了三枚為APFC電路工作的MOSFET,兩枚是由Toshiba K20J60U並聯,漏源電壓600V,最高耐電流20A,導通電阻為0.165Ω,配合一個C3D08060A碳化矽蕭特基二極體,零逆向回覆電流的特性,使整流橋功率損失降低,變相再提高整體電源效率,確保極高的功率因數(Power Factor)。

另一方面,PFC電路上另外兩樣重要元件,保銳也找來了兩位高手付以重任。首先是PFC電感線圈,1mm的線徑非常扎實,而且繞線極其用心,同時作工精細,看起來極為賞心悅目,胖達給予這個部份「藝術品」的評價。其次,則是電容器部份用了兩顆Panasonic國際牌精實好料,耐壓400V、容量390μF、耐溫105℃,以1000瓦電源供應器來說,如此用料簡直是佛心來著。

而在幕後操盤,指揮APFC電路上每一位精兵,使各單位發揮戰力的指揮官,則出自臺灣大廠虹冠電子CM6502晶片之手。這枚晶片具備PFC輸出電壓分段控制的特性,和LLC諧振電路的搭配可說是赤兔馬遇上關老爺,簡直是天生一對。

 

CM6502在交流電壓低於150V,負載低於40%時,PFC一次側輸出電壓將從380V降到342V,在低負載的情況下,能夠再提高2%的轉換效率,這項驚人的創新技術,稱之為「動態混合變頻變壓諧振技術」(Dynamic Hybrid Transformer Topology),實現超高省電效能,及動態負載環境下高穩定電力輸出。

 

圖 / 藝術品級作工的電感線圈,以及精實的國際牌電容。

 

 

 

■ 安耐美終極殺陣 LLC諧振半橋架構(LLC Half-Bridge Resonant Converter)

無庸置疑,LLC諧振架構絕對是當今x86電腦中,電源供應器領域裡轉換效率最高的電源架構。而在APFC電路後端接力的,即為千呼萬喚始出來、教無數POWER競折腰的LLC諧振半橋架構(LLC Half-Bridge Resonant Converter)。
 

LLC諧振半橋轉換屬於軟性切換拓樸當中的一種,主要的優點在於轉換效率高、體積小、廢熱低、EMI少等族繁不及備載。而安耐美REVOLUTION87+ 1000W 的LLC諧振半橋電路,主要由待機變壓器、主變壓器、驅動變壓器、諧振電容、諧振電感所構成;此架構搭配的MOSFET同為TOSHIBA TK20J60U,而整個架構中的要角,當屬虹冠電子出品的CM6901控制晶片,保銳選用CM6901多元化控制IC,操作 SRC及LLC 頻段,具體實現同步整流控制功能(SR),再次提系統整體轉換效率,執行所謂的「同步混合諧振架構」(SRC+LLC+SR),簡稱之為SLS。憨人胖達在此附帶一提,CM6901同樣在運作過程中,會根據不同的負載,改變自身的頻率,可說是非常優秀的電路指揮官。

 

圖 / 1.待機變壓器、2.主變壓器、3.驅動變壓器、4.諧振電容、5.諧振電感,由五大元件

組成的LLC諧振半橋架構。

 

 

黃色框內為APFC電路;藍色框內為兩級EMI濾波側;灰色框內為二次整流側;綠色框內為新元LL25XB60整流橋。

 

安耐美Revolution 87+ 1000W將家中市電轉換成電腦零件用直流電的旅程︰

100V~240V交流電→兩級EMI濾波側→整流橋→APFC電路→LLC諧振半橋→12V直流電→DC TO DC模組→5V/3.3V直流電。

 

 

■ 一遇風雲便化龍的二次側整流

一次側屬於高壓系統,到了二次側便把一次側的源訊透過互感器,將電壓降低,以便後續處理。電流通過一次側LLC諧振半橋後,經歷了高壓階段的逆變過程,將電流轉性為高壓脈衝直流電,透過相對應的變壓器轉換後,輸出平臺所需之電壓。然而,此時的電流並不能直接使用,需再經整流階段,如同「魚躍龍門化為龍」一般,方能成為電腦各大零組件運作使用的直流電。

安耐美REVOLUTION87+ 1000W於此處佈設了六顆英飛凌Infineon出品的IPP041N04 Mosfet,每顆耐壓40V,最大耐電流80A,導通電阻為4.1 mΩ,工作耐溫100℃。透過CM6901的SR輸出控制,構成同步整流,在最低的功率損失下,將主變壓器次級繞組輸出,進行全波整流,種換成平臺所需的12V直流。

所謂善始善終,將目光放到模組化輸出插座電路板,明顯發現線路部份以敷錫方式,加強電流承載能力,12V部分確實分流,將PCIE潔淨無比的穩定電流,分別輸出分配給平臺各裝置使用。另一方面,從元件屬性與數量來看,換算最大輸出功率,已經遠超出額定輸出所要求。

 

圖 / 半模組化設計,已成為當今高瓦數電源供應器之主流。

 

 

 

■ 5V / 3.3V DC TO DC Converter 走在時代尖端的設計

傳統電源5V與3.3V大多透過變壓器直接變壓輸出,另一種作法則是由5V變壓器變壓後輸出,透過電感線圈,將5V轉換成3.3V。但是無論使用哪一種方案,在高負載或是負載落差過大時,將難以避免,容易遇到不穩定的電壓輸出;對於一些小週邊像是隨身碟,或是喜歡拿主機板USB埠來充電的朋友來說,實在是不可不慎!

而現今比較先進的處理對策,當屬如雷灌耳的DC TO DC技術。安耐美REVOLUTION87+ 1000W透過兩組獨立電路子板,經由12V轉換得到3.3V/5V;12V輸出端儲能與濾波用電容則巧妙地採取混搭方式,同時安裝傳統電解電容及固態電容,讓兩種電容的特性彼此互補,徹底強化儲能及濾波的功能;其中輸入端採用16V、470μF濾波固態電容,輸出端則使用6.3V、820μF濾波固態電容;傳統電解電容部份則採用了Nippon Chemi-con KZE系列105度電解電容。而操控DC TO DC Converter模組的靈魂,則是茂達電子的得意之作APW7073A晶片,筆者發現,自從DC TO DC現身消費級採購市場之後,使得5V與3.3V的轉換效率大幅躍昇,電壓偏移現象更有了偌大的改善,因此也越來越多大廠趨之若鶩,仿傚學習。

 

圖 / 可看見兩塊獨立模組上,清楚標記著5V與3.3V字體;兩者獨立、各司其職。

 

 

 

■ 保銳用心 值得肯定

筆者苦思數日、翻閱無數期刊,大膽推想︰「保銳元件用料,樣樣幾乎都是額定規格兩倍有餘,除了在使用壽命上更加綿延之外,是否還有其他理由?」直至找到一份詳載「動態混合變頻變壓諧振」的技術文件後,憨人才恍然大悟!由於當中關鍵元件CM6502,在交流電壓低於150V,負載低於40%時,能夠再提高2%的轉換效率;據此胖達推測,臺灣常用市電為110V,符合第一個條件(交流電壓低於150V),而為了達成負載低於40%這項必要條件,以利於運行動態混合變頻變壓諧振技術,是以將所有的元件規格都拉高兩倍等級,確保玩家即使在滿載千瓦額定負載時,也能充份享受到這個嶄新的優秀架構。保銳如此偏執頑固於對的事,只為帶給消費者實實在在的品質,在胖達眼中看來,簡直是一家瀕絕種保育類佛心廠商;筆者深信「天道酬勤,商道酬信」的至理,更相信一定會有越來越多睿智的行家,理解安耐美在本業上的用心與堅持。

 

圖 / 安耐美REVOLUTION87+ 1000W採用專利磁力滾珠軸承

大風扇,超靜音、壽命長、散熱強。

 

 

 

圖 / 千萬別誤會這是亂焊糊成一團。這是所謂的敷錫處理,加強電流承載能力。
 

 

 

規格

 

最大輸出功率

1000W

80PLUS認證

金牌

+12V設計

四組

接線設計

半模組化

電源線

主機板×1、CPU×2、PCI-E×4、SATA/IDE×5

接頭數

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

體積深度

18 cm

風扇大小

13.9 cm

保固

五年保固

 

 

廠商名稱 保銳科技股份有限公司
網  址 www.enermax.com.tw
聯絡電話 (03)316-1675
 

 

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