如何增加AC/DC電源設(shè)計采用PFC+LLC拓撲時的靈活性

對于80～800W的通用交流輸入AC / DC電源設(shè)計，單級升壓PFC加上半橋LLC被認為是一種非常流行的拓撲。一般傳統(tǒng)做法，這樣的電源設(shè)計會采用模擬PFC+模擬LLC, 分開或者組合的封裝。然而即使對于經(jīng)驗豐富的電源設(shè)計師而言，類似的PFC+LLC仍然設(shè)計起來相當困難。通常情況下，這些設(shè)計可能涉及BOM中一百多個組件，每個原型迭代可能需要幾個星期到幾個月來構(gòu)建和測試，并且可能需要長達一年以上才能投入生產(chǎn)。難度還在于終端客戶會在不同設(shè)計階段甚至在量產(chǎn)時，提出新的功能要求，這使得電源供應(yīng)商不得不重新設(shè)計并再次重新運行整個設(shè)計周期。雪上加霜的是，某些情況下新的功能要求并不能由現(xiàn)有的IC解決方案實現(xiàn)。例如，終端客戶發(fā)現(xiàn)他們的新一代產(chǎn)品在短路故障中需要實現(xiàn)自動重啟功能，但是現(xiàn)設(shè)計出的IC在這樣的故障中只能實現(xiàn)鎖定保護。電源供應(yīng)商可能會要求IC供應(yīng)商設(shè)計出具有該功能的新IC，但是一般供應(yīng)商也只有在該客戶值得花費時間和精力的情況下才會去設(shè)計新IC，而且這可能會花費幾個月的時間才能完成具有新功能的樣品!

對于電源各種各樣的性能要求每年在不斷加強，這給電源設(shè)計師添加了更多的挑戰(zhàn)，例如，歐洲CoC標準Tier2將于2016年1月實施，但大部分電源至今尚不能滿足其空載功耗要求(見表1)。特別是對于PC電源市場，越來越多的終端客戶都要求電源供應(yīng)商提高效率和功率因數(shù)，以滿足黃金、鉑金甚至鈦金的效率標準(見表2)。

表1: 外置電源能量效率實施標準

表2: 對于PC電源80 plus的效率要求

除了能量效率，終端客戶通常也會要求其他的特性，如高功率因數(shù)，快速的瞬態(tài)響應(yīng)，多級保護功能等。而其中一些特征如果采用模擬電路是難以實現(xiàn)的。為了滿足客戶要求，電源供應(yīng)商使用數(shù)字控制來提高性能，獲得精確快速的采樣和更好的控制回路設(shè)計等優(yōu)勢。然而，在AC-DC領(lǐng)域的客戶可能總是需要使用額外的DSP(數(shù)字信號處理器)或MCU(單片機)來實現(xiàn)數(shù)字化控制，而且常常需要雇用嵌入式開發(fā)的程序員，這都增加了開發(fā)和生產(chǎn)成本。數(shù)字控制常常被認為是“高端且成本高昂”,所以一般只在某些高端電源如服務(wù)器,電動跑車充電等應(yīng)用中使用。

綜上所述，電源設(shè)計人員面臨的一些挑戰(zhàn)是：

1.從設(shè)計到生產(chǎn)各階段終端客戶多變的需求;

2. 從空載到滿載的高效率、高功率因數(shù);

3.昂貴且難以實現(xiàn)的數(shù)字控制。

為了改善這種情況，一種解決辦法是使用一個足夠小、速度以及內(nèi)存正好滿足需求的數(shù)字核用于AC-DC控制，并使用圖形用戶界面(GUI)來配置所有主要功能(見圖2)。其優(yōu)勢如下：

1，靈活的設(shè)計，即使處于生產(chǎn)階段中, 許多主要功能都可以被重新配置，不會延遲交付, BOM幾乎不需要改動;

2.超乎所有模擬IC的高效率、高功率因數(shù)、快速的響應(yīng)速度;

3.與模擬控制器相似的成本;

4.去除某些外部組件，如各種設(shè)定時間/頻率的RC，節(jié)約BOM成本;

5.內(nèi)置由IC供應(yīng)商提供的程序，客戶可自定義各種不同的配置而不需編程。原廠對所有客戶不論規(guī)模大小,都會根據(jù)不同程序配置, 定位一個或多個特殊的料號。

我們設(shè)計了一種使用這種數(shù)字芯片的PFC+LLC組合控制器，該芯片的性能符合高端PC電源市場認證，例如Energy Using Product(EuP)指令 Lot6和Code of Conduct第五版Tier2。這是通過在無負載情況下提供小于150mW的輸入功率和在250mW載荷下提供小于500mW的輸入功率條件下實現(xiàn)的。為了滿足80 Plus 鈦金準則，在20?100%負荷和VIN=230VIN的情況下，功率因數(shù)也必須高于0.95(見圖3和圖4)。

除了高端個人計算機，其他AC / DC應(yīng)用也可以受益于該IC，使得系統(tǒng)性能得到提升，如電視機、游戲機、手提電腦、LED街燈、服務(wù)器、電池充電器等等。未來除了PFC+LLC的組合IC, MPS還會推出一個獨立的數(shù)字PFC IC, 可與flyback IC共同工作。

圖1數(shù)字PFC+LLC組合設(shè)計示意圖

圖2數(shù)字PFC的主要圖形用戶界面

圖3與80 Plus鉑金準則相比，240W EVB的效率

圖4采用獲得專利的PFC補償法，輕載下功率因數(shù)的改善

組合控制器的PFC部分的主要特點和優(yōu)點包括：

·已獲得專利的CCM/DCM數(shù)字平均電流控制模式，以提升整體效率和最小化系統(tǒng)尺寸;

·已獲得專利的可配置輸入電容補償，以提高低負載和高輸入電壓情況下的功率因數(shù);

·在連續(xù)導電模式下頻率抖動技術(shù)，改善EMI;

·已獲得專利的智能X電容放電器，以提升效率。

組合控制器的LLC部分的主要特點和優(yōu)點包括：

·600V驅(qū)動器：集成自舉二極管和高dV/dt抗擾性;

·50%的占空比下，可變頻率諧振控制器;

·自適應(yīng)死區(qū)時間可提供最佳效率;

·自動容性保護。

組合控制器作為整體系統(tǒng)的主要特點和優(yōu)點包括：

·高壓電流源啟動 (HR1200) 或外部電源啟動(HR1201);

·Po=0W時，PIN