【導(dǎo)讀】電網(wǎng)因?yàn)橹T多原因而被設(shè)計(jì)成交流電,但幾乎每臺(tái)設(shè)備都需要直流電才能運(yùn)行。因此,AC-DC 電源幾乎無處不在,隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和能源價(jià)格的上漲,此類電源的效率對(duì)于降低運(yùn)行成本和合理利用能源至關(guān)重要。
簡(jiǎn)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(shè)備(包括電源)的有用(實(shí)際)功率與總(視在)功率之比。
對(duì)于純阻性負(fù)載,PF 將為 1.00(“單位”),但隨著視在功率的升高,無功負(fù)載會(huì)降低 PF,從而導(dǎo)致效率降低。小于 1 的 PF 由異相電壓和電流引起,在開關(guān)型電源 (SMPS) 等不連續(xù)電子負(fù)載中常常會(huì)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(duì)效率的影響,當(dāng)功率水平高于 70W 時(shí),法規(guī)要求設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器,將整流電源轉(zhuǎn)換為高直流電平。然后使用脈寬調(diào)制 (PWM) 或其他技術(shù)對(duì)該電源軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。
此方法通常有效且易于部署。然而,如今有關(guān)效率的諸多要求,如具有挑戰(zhàn)性的“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”,規(guī)定了整個(gè)寬工作功率范圍內(nèi)的效率,要求半負(fù)載時(shí)的峰值效率需達(dá)到 96%。這意味著線路整流和 PFC 級(jí)必須達(dá)到 98%,因?yàn)榻酉聛淼?PWM DC-DC 將會(huì)進(jìn)一步損耗 2%。要做到這一點(diǎn)非常難,因?yàn)闃蚴秸髌髦械亩O管也會(huì)出現(xiàn)損耗。
用同步整流器替換升壓二極管會(huì)有所幫助,或者,也可以更換兩個(gè)線性整流二極管,以進(jìn)一步提高效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為圖騰柱 PFC (TPPFC),理論上,使用理想的電感和開關(guān),效率將會(huì)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。
圖 1:簡(jiǎn)化的圖騰柱 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
處理損耗
隨著設(shè)計(jì)人員不斷增加頻率以減小磁性組件的尺寸,開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)損耗也隨之增加。由于硅 MOSFET 的這些損耗可能很大,設(shè)計(jì)人員正轉(zhuǎn)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(duì)于 TPPFC 應(yīng)用。
臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 通常是功率水平高達(dá)幾百瓦的 TPPFC 設(shè)計(jì)的首選方法,它可以平衡效率和 EMI 性能。在千瓦級(jí)設(shè)計(jì)中,連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 可進(jìn)一步降低開關(guān)內(nèi)的 RMS 電流,從而減少導(dǎo)通損耗。
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(huì)下降近10%,不利于實(shí)現(xiàn)“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”。箝位(“折返”)最大頻率迫使電路在輕載下進(jìn)入 非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),從而顯著降低峰值電流。
解決設(shè)計(jì)復(fù)雜性
由于需要同步驅(qū)動(dòng)四個(gè)有源器件,并且需要檢測(cè)電感的零電流交越以強(qiáng)制 CrM,因此 TPPFC 設(shè)計(jì)絕非易事。此外,電路必須能夠切換進(jìn)/出 DCM,同時(shí)保持一個(gè)高功率因數(shù)并生成一個(gè) PWM 信號(hào)來調(diào)節(jié)輸出,并且提供電路保護(hù)(例如過流和過壓)。
要解決這些復(fù)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(huì)增加設(shè)計(jì)的工作量和風(fēng)險(xiǎn)。
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(fèi)時(shí)的編碼工作。這些器件具有多種優(yōu)勢(shì),包括高性能、更短的設(shè)計(jì)時(shí)間和更低的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗鼈儾辉傩枰渴?MCU 和相關(guān)代碼。
安森美 (onsemi) 的NCP1680 混合信號(hào) TPPFC 控制器就是這類器件的典范,它可以在具有恒定導(dǎo)通時(shí)間的 CrM 下工作,確保在整個(gè)寬負(fù)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(guān)”功能,可通過在最低電壓下進(jìn)行開關(guān)操作來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償,可優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的性能,同時(shí)能夠確保設(shè)計(jì)過程仍簡(jiǎn)單。
圖 3:NCP1680 混合信號(hào) 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(jìn)行電流檢測(cè)和逐周期限流,無需外部霍爾效應(yīng)傳感器即可提供出色的保護(hù),從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。
圖 4:NCP1680 典型應(yīng)用原理圖
全套控制算法都嵌入在該 IC 中,為設(shè)計(jì)人員提供了低風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)過試用和測(cè)試驗(yàn)證的方案,以高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)高性能。
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