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設計高能效AC-DC電源不再需要MCU(和編碼)

發(fā)布時間:2023-08-16 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】電網(wǎng)因為諸多原因而被設計成交流電,但幾乎每臺設備都需要直流電才能運行。因此,AC-DC 電源幾乎無處不在,隨著環(huán)保意識的加強和能源價格的上漲,此類電源的效率對于降低運行成本和合理利用能源至關重要。


簡單地說,效率就是輸入功率與輸出功率之比。但是,必須要考慮輸入功率因數(shù) (PF),即所有 AC 供電設備(包括電源)的有用(實際)功率與總(視在)功率之比。


對于純阻性負載,PF 將為 1.00(“單位”),但隨著視在功率的升高,無功負載會降低 PF,從而導致效率降低。小于 1 的 PF 由異相電壓和電流引起,在開關型電源 (SMPS) 等不連續(xù)電子負載中常常會出現(xiàn)諧波含量高或電流波形失真的情況。


PF校正


考慮到低 PF 對效率的影響,當功率水平高于 70W 時,法規(guī)要求設計人員通過電路將 PF 校正到接近 1。通常,有源 PF 校正 (PFC) 采用升壓轉換器,將整流電源轉換為高直流電平。然后使用脈寬調(diào)制 (PWM) 或其他技術對該電源軌進行調(diào)節(jié)。


此方法通常有效且易于部署。然而,如今有關效率的諸多要求,如具有挑戰(zhàn)性的“80+ Titanium標準”,規(guī)定了整個寬工作功率范圍內(nèi)的效率,要求半負載時的峰值效率需達到 96%。這意味著線路整流和 PFC 級必須達到 98%,因為接下來的 PWM DC-DC 將會進一步損耗 2%。要做到這一點非常難,因為橋式整流器中的二極管也會出現(xiàn)損耗。


用同步整流器替換升壓二極管會有所幫助,或者,也可以更換兩個線性整流二極管,以進一步提高效率。這種拓撲結構被稱為圖騰柱 PFC (TPPFC),理論上,使用理想的電感和開關,效率將會接近 100%。雖然硅 MOSFET 具有良好的性能,但寬禁帶 (WBG) 器件的性能更接近“理想”水平。


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圖 1:簡化的圖騰柱 PFC 拓撲結構


處理損耗


隨著設計人員不斷增加頻率以減小磁性組件的尺寸,開關器件的動態(tài)損耗也隨之增加。由于硅 MOSFET 的這些損耗可能很大,設計人員正轉而考慮使用 WBG 材料,其中包括碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN),特別是對于 TPPFC 應用。


臨界導通模式 (CrM) 通常是功率水平高達幾百瓦的 TPPFC 設計的首選方法,它可以平衡效率和 EMI 性能。在千瓦級設計中,連續(xù)導通模式 (CCM) 可進一步降低開關內(nèi)的 RMS 電流,從而減少導通損耗。


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圖 2:典型 PFC 電路:傳統(tǒng)升壓(左)和無橋圖騰柱(右)


即使是 CrM,在輕載下的效率也會下降近10%,不利于實現(xiàn)“80+ Titanium標準”。箝位(“折返”)最大頻率迫使電路在輕載下進入 非連續(xù)導通模式(DCM),從而顯著降低峰值電流。


解決設計復雜性


由于需要同步驅動四個有源器件,并且需要檢測電感的零電流交越以強制 CrM,因此 TPPFC 設計絕非易事。此外,電路必須能夠切換進/出 DCM,同時保持一個高功率因數(shù)并生成一個 PWM 信號來調(diào)節(jié)輸出,并且提供電路保護(例如過流和過壓)。


要解決這些復雜難題,最顯而易見的方法是部署微控制器 (MCU) 來執(zhí)行控制算法。但這需要生成和調(diào)試代碼,反而會增加設計的工作量和風險。


基于 CrM 的 TPPFC 無需編碼


不過,使用完全集成的 TPPFC 控制方案就可以免去費時的編碼工作。這些器件具有多種優(yōu)勢,包括高性能、更短的設計時間和更低的設計風險,因為它們不再需要部署 MCU 和相關代碼。


安森美 (onsemi) 的NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器就是這類器件的典范,它可以在具有恒定導通時間的 CrM 下工作,確保在整個寬負載范圍內(nèi)帶來出色的效率。該集成器件在輕載下具有頻率折返“谷底開關”功能,可通過在最低電壓下進行開關操作來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補償,可優(yōu)化整個負載范圍內(nèi)的性能,同時能夠確保設計過程仍簡單。


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圖 3:NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器


這款創(chuàng)新的 TPPFC 控制器采用新穎的低損耗方法進行電流檢測和逐周期限流,無需外部霍爾效應傳感器即可提供出色的保護,從而降低復雜性、尺寸和成本。


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圖 4:NCP1680 典型應用原理圖


全套控制算法都嵌入在該 IC 中,為設計人員提供了低風險、經(jīng)過試用和測試驗證的方案,以高性價比實現(xiàn)高性能。



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