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摘要

輸入橋式整流器的損耗是實(shí)現(xiàn)AC-DC電源單元(PSU)最佳能效的一個(gè)障礙。無(wú)橋圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是個(gè)簡(jiǎn)潔的解決方案，它用四個(gè)有源開關(guān)器件取代了有損耗的橋式整流器和PFC FET以及升壓二極管。然而，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須使用復(fù)雜的控制算法，這可能需要增加一個(gè)昂貴的微控制器?？刂圃某杀竞蛷?fù)雜性對(duì)一些工程團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是采用該技術(shù)的障礙。本文所述的NCP1680混合信號(hào)控制器提供了一個(gè)方案來(lái)解決這設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

AC-DC電源無(wú)處不在，占全球能源消耗的很大比例，因此它們的能效與系統(tǒng)成本直接相關(guān)，在更高的層面上，它有助于排放。在討論AC-DC電源時(shí)，還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)也很重要--輸入功率因素。

如果線路電流和線路電壓不具有相同的正弦波形和相位，那么電源所吸收的視在功率就會(huì)高于必要值。這將導(dǎo)致能效低下，并通過(guò)電網(wǎng)傳播?？刹捎霉β室驍?shù)校正(PFC)來(lái)解決這種低能效，而且PFC現(xiàn)在已經(jīng)成為多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的法定要求。

一個(gè)沒有有源功率因數(shù)校正的典型PSU容易比一個(gè)有校正的PSU多消耗70%的電流，因此現(xiàn)在強(qiáng)制要求將PFC加入電路，且PFC值需接近1。

更確切地說(shuō)，EMC標(biāo)準(zhǔn)如IEC61000-3-2，對(duì)由失真的線路電流產(chǎn)生的高達(dá)40次的線路諧波功率進(jìn)行了限制。80 PLUS認(rèn)證計(jì)劃提倡80%的能效，相關(guān)于20%、50%和100%負(fù)載下的能效。80 PLUS標(biāo)準(zhǔn)的最高水平被稱為“80 Titanium標(biāo)準(zhǔn)”，它規(guī)定負(fù)載從10%到100%的能效至少為90%。

實(shí)現(xiàn)'80 Titanium標(biāo)準(zhǔn)'能效合規(guī)性

主動(dòng)校正功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，將整流電源電壓轉(zhuǎn)換成高于電源電壓峰值的直流電壓，圖1(左)。采用脈沖寬度調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)直流電壓，同時(shí)迫使線路電流跟隨線路電壓波形。

該技術(shù)在連續(xù)、非連續(xù)和臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)行良好，易于控制，與升壓電感器能量是否在每個(gè)周期內(nèi)完全耗盡有關(guān)。然而，提高AC-DC轉(zhuǎn)換器能效的壓力也很大，最嚴(yán)格的“80 Titanium標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定服務(wù)器在230 V AC輸入、50%負(fù)載時(shí)，能效最高達(dá)96%。

通常情況下，DC-DC級(jí)允許有2%的損耗，只留下2%用于線路整流和PFC級(jí)，但僅橋式整流器就容易損耗1%以上，在低壓時(shí)損耗最高可達(dá)1.7%左右。

圖1：傳統(tǒng)的(左)和(右)無(wú)橋圖騰柱PFC電路

因此，我們開發(fā)了一種更有效的技術(shù)，即無(wú)橋“圖騰柱PFC”(TPPFC)，圖1(右)，其中升壓二極管被同步整流器取代，使升壓晶體管和升壓二極管Q1和Q2的功能可互換，具體取決于電源極性。現(xiàn)在只需要兩個(gè)線路整流二極管，而且它們也可以是同步整流器Q3和Q4，如圖所示，以獲得更高能效。

如果有完美的開關(guān)、理想的電感器和無(wú)二極管壓降，TPPFC電路的能效可接近100%。然而，真正的開關(guān)有導(dǎo)通和開關(guān)損耗，盡管可使用超低導(dǎo)通電阻的MOSFET(甚至并聯(lián))來(lái)實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗，但這必然會(huì)增加動(dòng)態(tài)損耗。這意味著必須取得一種平衡。

動(dòng)態(tài)損耗源于當(dāng)其體二極管在開關(guān)“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通時(shí)配置為升壓同步整流器的MOSFET的反向恢復(fù)，也源于開關(guān)輸出電容的充電和放電。對(duì)能效的影響可能非常嚴(yán)重，以至于在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時(shí)，硅MOSFET甚至是“超級(jí)結(jié)”類型在電路中都不可行。因此，必須考慮碳化硅和氮化鎵的寬禁帶開關(guān)。

連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)在更高的功率下更受歡迎，因?yàn)殚_關(guān)和電感器的峰值電流可以設(shè)置得很低，從而減少了均方根值，使導(dǎo)通和電感器磁芯的損耗保持在低水平。然而，這是一種“硬”開關(guān)模式，其反向恢復(fù)和輸出電容效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高動(dòng)態(tài)損耗。

在低功率下，非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)具有較低的導(dǎo)通損耗，因?yàn)榇藭r(shí)升壓二極管的電流已降至零，因此沒有電荷需要恢復(fù)。然而，峰值和均方根電流可能無(wú)法控制，導(dǎo)致高歐姆和磁芯損耗，因此該模式不適合高功率。

臨界導(dǎo)通模式是個(gè)很好的折衷方案

一個(gè)很好的折衷辦法是在臨界導(dǎo)通模式或CrM模式下工作，可達(dá)幾百瓦，采用交錯(cuò)時(shí)可更高。在這種模式下，隨著負(fù)載電流或線路電壓的變化，開關(guān)頻率被改變以迫使電路在CCM和DCM之間的邊界上運(yùn)行。低導(dǎo)通損耗的好處得以保留，同時(shí)將峰值電流限制在2倍的平均值，以實(shí)現(xiàn)合理的導(dǎo)通和磁芯損耗。(圖2)。

圖2：PFC升壓電感電流波形，臨界導(dǎo)通模式

雖然CrM的關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生硬的開關(guān)換向，但升壓二極管的任何正向恢復(fù)都會(huì)導(dǎo)致一些損耗和輸出電壓過(guò)沖。CrM的可變開關(guān)頻率也有一個(gè)缺點(diǎn)，即在輕載時(shí)，頻率可能非常高，產(chǎn)生更多的開關(guān)損耗，降低能效。這關(guān)系由下式表示：

該等式意味著開關(guān)頻率與輸入功率的直接反比關(guān)系，因此20%到100%的負(fù)載功率或5倍的變化應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生5倍的頻率變化以實(shí)現(xiàn)恒定能效。然而，無(wú)論如何，更高的頻率會(huì)降低能效，因此這些因素會(huì)相互影響。頻率和均方根線路電壓之間的關(guān)系更為復(fù)雜，在線路范圍內(nèi)產(chǎn)生的頻率變化通常超過(guò)2:1，并在中間電壓處達(dá)到峰值。

CrM中的鉗位頻率降低輕載損耗

在輕載時(shí)，能效下降可達(dá)10%，在試圖滿足待機(jī)或空載能耗限制時(shí)，這是個(gè)真正的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是鉗位或 “反走”允許的最大頻率，在輕載時(shí)迫使電路進(jìn)入DCM，與CrM相比，峰值電流較低。

因此，在整個(gè)線路和負(fù)載范圍內(nèi)，中等負(fù)載和高能效的功率因數(shù)校正的一個(gè)好的解決方案是帶有頻率箝位的圖騰柱架構(gòu)。該電路應(yīng)使用硅MOSFET的組合來(lái)進(jìn)行交流電同步整流，并在高頻 “支路”上使用寬禁帶開關(guān)。

然而，控制這個(gè)電路是個(gè)挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動(dòng)四個(gè)有源器件，檢測(cè)二極管零電流以強(qiáng)制在輕載時(shí)自動(dòng)從CrM切換到DCM，同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓并保持高功率因數(shù)。需要開關(guān)過(guò)流保護(hù)，以及輸出過(guò)壓檢測(cè)。所有這些都可以通過(guò)在一個(gè)與開關(guān)和檢測(cè)參數(shù)接口的微控制器中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，該解決方案可能很貴，且電源設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在必須參與對(duì)器件進(jìn)行編碼以獲得最佳性能--對(duì)于那些不熟悉的人來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)令人生畏且耗時(shí)的任務(wù)。

混合信號(hào)TPPFC CrM控制器

安森美(onsemi)現(xiàn)在提供一個(gè)更簡(jiǎn)單的解決方案，而且不需要編碼。NCP1680被認(rèn)為是業(yè)界唯一的混合信號(hào)CrM TTPFC控制器，它采用SOIC-16封裝。

該器件具有專有的低損耗電流檢測(cè)架構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)證的控制算法，是一種具有高性價(jià)比、低風(fēng)險(xiǎn)但高性能的解決方案。該器件具有恒定的CrM導(dǎo)通時(shí)間和在輕載下頻率反走期間的“谷底開關(guān)”，以在最低電壓下開關(guān)來(lái)提高能效。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有優(yōu)化性能。

逐周期電流限制用于保護(hù)，不需要霍爾效應(yīng)傳感器。圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的原理圖，顯示了使用NCP1680的圖騰柱PFC級(jí)。

圖3：使用NCP1680的簡(jiǎn)化的TPPFC典型應(yīng)用框圖

現(xiàn)有NCP1680的評(píng)估板(圖4)，使用GaN HEMT單元作為快速開關(guān)，Si-MOSFET作為交流電同步整流器。

圖4：安森美的NCP1680評(píng)估板

該評(píng)估板在從90-265 V AC的395 V DC下提供300 W，且滿載能效峰值接近99%，在低至20%的負(fù)載下的整個(gè)電壓范圍內(nèi)達(dá)到98%(圖5)。

圖5：安森美NCP1680評(píng)估板的能效曲線圖

隨著安森美推出寬禁帶半導(dǎo)體和高性價(jià)比的混合信號(hào)、臨界導(dǎo)通模式控制器，圖騰柱PFC級(jí)成為功率達(dá)幾百瓦的高能效功率因數(shù)校正的理想解決方案，同時(shí)能夠符合80 Titanium能效標(biāo)準(zhǔn)和待機(jī)及空載損耗的環(huán)保設(shè)計(jì)要求。

隨著每個(gè)垂直領(lǐng)域?qū)Ω吣苄У男枨?，使用CrM減少所有負(fù)載水平的損耗而實(shí)現(xiàn)的有源PFC的改進(jìn)，將受到制造商、消費(fèi)者和公用事業(yè)服務(wù)提供商的歡迎。工程師們現(xiàn)在就可以開始評(píng)估NCP1680，為所有應(yīng)用領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)帶來(lái)更高的能效水平。