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          電源工程師必看,離線開關(guān)電源 (SMPS) 系統(tǒng)設(shè)計保姆級教程

          作者: 時間:2024-04-12 來源:安森美 收藏

          離線 () 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,這種包含兩個轉(zhuǎn)換級,為了實現(xiàn)更高的效率,需要采用性能更好的電源開關(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 的基礎(chǔ)知識,以及 (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)實現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場信息和趨勢。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202404/457490.htm

          系統(tǒng)用途

          自上個世紀(jì)以來,離線 一直備受矚目,相關(guān)研究層見迭出,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,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)實際情況自行采用新的拓?fù)鋪韮?yōu)化效率、尺寸和集成水平。新設(shè)計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)行委員會新發(fā)布的 CoC V5 和美國能源部的 DoE VI 對滿載和輕載/空載時的功率損耗與效率提出了明確的要求。

          系統(tǒng)實現(xiàn)


          電源工程師必看,離線開關(guān)電源 (SMPS) 系統(tǒng)設(shè)計保姆級教程

          3kw 圖騰柱 PFC+LLC PSU 參考設(shè)計


          電源工程師必看,離線開關(guān)電源 (SMPS) 系統(tǒng)設(shè)計保姆級教程

          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 則是一項國際輻射標(biāo)準(zhǔn),通過規(guī)定從第 2 次諧波到 40 次諧波的諧波電流最大值來限制電源電壓失真。這個標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電流不超過 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),例如美國加州能源委員會制定的法規(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。美國能源部 (DoE) 針對壁掛式或桌面式外部電源發(fā)布了一套分級標(biāo)準(zhǔn),其中 Level VI 是最新且最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn);同時歐洲委員會的科學(xué)和知識服務(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? 計劃,該計劃致力于推動在 20% 至 100% 負(fù)載條件下實現(xiàn) 80% 或更高的效率,并在 100% 負(fù)載條件下實現(xiàn) 0.9 或更高的功率因數(shù),其最高等級(即“80+ 鈦金”標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定,在 20% 負(fù)載時效率至少要達(dá)到 92%,在 100% 負(fù)載時效率至少要達(dá)到 94%。

          2. 功率因數(shù)校正

          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際功率,而后者能夠減少與配電、發(fā)電及過程中重要設(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)來使用。PFC 級的另一個重要價值在于能提供穩(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。

          3. DC-DC 級

          DC-DC 級的作用是通過隔離變壓器和 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 級的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于磁元件的設(shè)計。例如,趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會導(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。

          4. 電流控制模式

          這里有必要回顧一下經(jīng)典工作模式,因為工作模式不僅影響拓?fù)涞倪x擇,還會影響整個系統(tǒng)的設(shè)計。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 會在升壓二極管導(dǎo)通時接通。所以我們需使用低 trr 二極管來避免 MOSFET 導(dǎo)通時產(chǎn)生過大的損耗和應(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,電感電流會在達(dá)到零后開始下一個周期,并且頻率會隨線路電壓和負(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,電感電流在每個周期都會降至零,所以關(guān)斷時二極管不會產(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有損性能。同樣,MOSFET 可以在低電壓下導(dǎo)通,從而降低開關(guān)損耗。

          通常在系統(tǒng)處于輕載時,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)是提出的一種方法,用于限制 CrM 電路的開關(guān)頻率擴(kuò)展。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輕載和/或線路電壓過零點(diǎn)附近運(yùn)行時,最大頻率箝位會強(qiáng)制系統(tǒng)切換到 DCM。如果不采用這樣的電路,CrM 開關(guān)頻率將超過箝位上限,導(dǎo)致開關(guān)損耗增加。此時還需添加一個電路來補(bǔ)償 DCM 產(chǎn)生的死區(qū)時間,使線路電流保持正確的波形。


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          市場信息和趨勢

          1. 寬禁帶半導(dǎo)體

          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)勢特性,可以讓新系統(tǒng)提高頻率并縮小 PCB 尺寸,甚至無需散熱片或進(jìn)行強(qiáng)制散熱。但高頻率可能會帶來輻射、過沖等潛在問題,所以我們必須研發(fā)新的設(shè)計。

          2. 集成

          可以節(jié)省 PCB 空間并減少外部無源元件,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)的熱門選擇,可大幅減小最終產(chǎn)品的尺寸。在 dv/dt 可能超過 100V/ns 時,我們需要減小寄生電感。將 GaN HEMT 和驅(qū)動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 憑借更寬的軟開關(guān)范圍、整個負(fù)載變化過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)乎高效率的另一個重要因素。

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