【導(dǎo)讀】離線開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負(fù)載將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常,這種開(kāi)關(guān)電源包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí),為了實(shí)現(xiàn)更高的效率,需要采用性能更好的電源開(kāi)關(guān)或?qū)嵤┎煌目刂撇呗?。此外,根?jù)具體情況選擇更合適的拓?fù)湟埠苤匾?。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎(chǔ)知識(shí),以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分,將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場(chǎng)信息和趨勢(shì)。
離線開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負(fù)載將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常,這種開(kāi)關(guān)電源包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí),為了實(shí)現(xiàn)更高的效率,需要采用性能更好的電源開(kāi)關(guān)或?qū)嵤┎煌目刂撇呗浴4送?,根?jù)具體情況選擇更合適的拓?fù)湟埠苤匾?。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎(chǔ)知識(shí),以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分,將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場(chǎng)信息和趨勢(shì)。
系統(tǒng)用途
自上個(gè)世紀(jì)以來(lái),離線 SMPS 一直備受矚目,相關(guān)研究層見(jiàn)迭出,并廣泛應(yīng)用在日常生活的方方面面。離線 SMPS 一般是指帶有隔離變壓器并由電網(wǎng)供電的開(kāi)關(guān)電源,適用范圍涵蓋 從65W 的筆記本電腦電池充電器,到數(shù)千瓦的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源裝置。
寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品層出不窮,這讓廠商可以根據(jù)實(shí)際情況自行采用新的拓?fù)鋪?lái)優(yōu)化效率、尺寸和集成水平。新設(shè)計(jì)的控制器還有助于提高系統(tǒng)安全性、降低功耗并改善性能。
為了實(shí)現(xiàn)全球“零碳”目標(biāo),SMPS 必須滿足更嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn),盡可能地降低能源消耗和碳排放。例如,為促進(jìn)節(jié)能減排,歐盟執(zhí)行委員會(huì)新發(fā)布的 CoC V5 和美國(guó)能源部的 DoE VI 對(duì)滿載和輕載/空載時(shí)的功率損耗與效率提出了明確的要求。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3kw 圖騰柱 PFC+LLC PSU 參考設(shè)計(jì)
典型的離線 SMPS
系統(tǒng)描述
1. 標(biāo)準(zhǔn)
目前主要有三類標(biāo)準(zhǔn),其中包括安全標(biāo)準(zhǔn)和輻射標(biāo)準(zhǔn)。目前最新修訂的 IEC 62368-1 第二版就屬于安全標(biāo)準(zhǔn),其中明確了絕緣、隔離、電氣間隙、爬電距離等概念的定義。而 IEC 61000-3-2 則是一項(xiàng)國(guó)際輻射標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)規(guī)定從第 2 次諧波到 40 次諧波的諧波電流最大值來(lái)限制電源電壓失真。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電流不超過(guò) 16A 的設(shè)備,額定電流大于 16A 的設(shè)備應(yīng)遵循 IEC 61000-3-12。
為了促進(jìn)節(jié)能減排,世界各地都制定了相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),例如美國(guó)加州能源委員會(huì)制定的法規(guī)、能源之星認(rèn)證以及歐盟的節(jié)能相關(guān)產(chǎn)品 (ErP) 指令等。美國(guó)能源部 (DoE) 針對(duì)壁掛式或桌面式外部電源發(fā)布了一套分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其中 Level VI 是最新且最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)歐洲委員會(huì)的科學(xué)和知識(shí)服務(wù)機(jī)構(gòu)“聯(lián)合研究中心”制定了一套歐盟外部電源供應(yīng)器 (EPS) 行為準(zhǔn)則 (CoC)。
此外還有 80 PLUS? 計(jì)劃,該計(jì)劃致力于推動(dòng)在 20% 至 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 80% 或更高的效率,并在 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 0.9 或更高的功率因數(shù),其最高等級(jí)(即“80+ 鈦金”標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定,在 20% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 92%,在 100% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 94%。
PFC(功率因數(shù)校正)是離線電源的關(guān)鍵組成部分。PFC 的主要任務(wù)是對(duì)輸入電流進(jìn)行整形并降低高頻諧波電流,前者可以提高從主電源獲取的實(shí)際功率,而后者能夠減少與配電、發(fā)電及過(guò)程中重要設(shè)備相關(guān)的損耗和成本。THD(總諧波失真)是確定系統(tǒng)中線路電流質(zhì)量的重要方法,經(jīng)常作為功率因數(shù)的替代指標(biāo)來(lái)使用。PFC 級(jí)的另一個(gè)重要價(jià)值在于能提供穩(wěn)定的直流輸出電壓,這樣便能為后續(xù)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供范圍較窄的直流輸入,從而優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。
3. DC-DC 級(jí)
DC-DC 級(jí)的作用是通過(guò)隔離變壓器和 PWM 或諧振轉(zhuǎn)換器,將一定范圍的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓和電流。DC-DC 級(jí)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于磁元件的設(shè)計(jì)。例如,趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器出現(xiàn)渦流,影響磁芯材料的選擇,引起磁芯損耗和銅損等。
這里有必要回顧一下經(jīng)典工作模式,因?yàn)楣ぷ髂J讲粌H影響拓?fù)涞倪x擇,還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)提供超低的峰值和 rms 電流,因此更多地用于功率水平較高的應(yīng)用。在 CCM 下,電感電流紋波較小,但 MOSFET 會(huì)在升壓二極管導(dǎo)通時(shí)接通。所以我們需使用低 trr 二極管來(lái)避免 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的損耗和應(yīng)力。CrM(臨界導(dǎo)通模式)非常適合低功耗應(yīng)用。
在此模式下,電感電流會(huì)在達(dá)到零后開(kāi)始下一個(gè)周期,并且頻率會(huì)隨線路電壓和負(fù)載條件的變化而變化。CrM 的一大優(yōu)點(diǎn)在于電流環(huán)路本質(zhì)上比較穩(wěn)定且不需要斜坡補(bǔ)償。此外,電感電流在每個(gè)周期都會(huì)降至零,所以關(guān)斷時(shí)二極管不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,就算使用較便宜的升壓二極管也不會(huì)有損性能。同樣,MOSFET 可以在低電壓下導(dǎo)通,從而降低開(kāi)關(guān)損耗。
通常在系統(tǒng)處于輕載時(shí),CrM/CCM切換到DCM(斷續(xù)導(dǎo)通模式),以確保較高的功率因數(shù),并抑制因頻率在過(guò)零點(diǎn)附近大幅升高而產(chǎn)生 EMI。
FCCrM(頻率箝位臨界導(dǎo)通模式)是安森美提出的一種方法,用于限制 CrM 電路的開(kāi)關(guān)頻率擴(kuò)展。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輕載和/或線路電壓過(guò)零點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí),最大頻率箝位會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)切換到 DCM。如果不采用這樣的電路,CrM 開(kāi)關(guān)頻率將超過(guò)箝位上限,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加。此時(shí)還需添加一個(gè)電路來(lái)補(bǔ)償 DCM 產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間,使線路電流保持正確的波形。
市場(chǎng)信息和趨勢(shì)
寬禁帶器件正在批量化生產(chǎn),許多公司也隨之推出(或即將推出)基于 SiC/GaN 的 SMPS。SiC/GaN 材料兼具反向恢復(fù)性能優(yōu)異、熱性能出色、工作電壓及溫度較高等諸多優(yōu)勢(shì)特性,可以讓新系統(tǒng)提高頻率并縮小 PCB 尺寸,甚至無(wú)需散熱片或進(jìn)行強(qiáng)制散熱。但高頻率可能會(huì)帶來(lái)輻射、過(guò)沖等潛在問(wèn)題,所以我們必須研發(fā)新的設(shè)計(jì)。
2. 集成
可以節(jié)省 PCB 空間并減少外部無(wú)源元件,從而能夠提高功率密度和安裝靈活性。例如,GaN HEMT 是中低功率電源(Pout<1500W)的熱門(mén)選擇,可大幅減小最終產(chǎn)品的尺寸。在 dv/dt 可能超過(guò) 100V/ns 時(shí),我們需要減小寄生電感。將 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)器集成在同一封裝中可以降低引線和 PCB 引起的電感,從而獲得更好的開(kāi)關(guān)性能。
3. 新拓?fù)淇商岣咝?/p>
圖騰柱PFC 降低由整流橋造成的損耗,因而在高功率密度產(chǎn)品中,它是比單升壓更好的 PFC 拓?fù)洹H缃?,LLC 憑借更寬的軟開(kāi)關(guān)范圍、整個(gè)負(fù)載變化過(guò)程中較窄的頻率范圍以及較小的循環(huán)電流,成為中高功率應(yīng)用的優(yōu)選 DC-DC 拓?fù)?。寬禁帶半?dǎo)體在這些新拓?fù)渲邪l(fā)揮著關(guān)鍵作用,而智能低功耗控制器是關(guān)乎高效率的另一個(gè)重要因素。
文章來(lái)源:安森美
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