控制器如何解決AC-DC電源能效挑戰(zhàn)

世界上消耗的大部分電力都供應(yīng)給某種形式的AC-DC 電源單元（PSU），這意味著它們的能效在運(yùn)行成本和影響環(huán)境的排放方面很重要。在最簡單的層面上，能效是從電網(wǎng)汲取的功率與提供給負(fù)載的有用功率之比。但是，如果線路電流和電壓異相或具有不同的波形，則所消耗的視在功率可能會顯著增加，大大降低能效。

同相和異相操作之間的比率稱為功率因數(shù)，PSU 設(shè)計(jì)人員的一個關(guān)鍵目標(biāo)是確保該比率盡可能接近1。事實(shí)上，這非常重要，以至于現(xiàn)在立法和標(biāo)準(zhǔn)如 IEC 61000-3-2強(qiáng)制要求限制線路諧波中的功率。

此外，新的能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在更廣泛的工作功率范圍內(nèi)的能效水平。例如，80 PLUS計(jì)劃提倡在20%和100%之間的負(fù)載下達(dá)到80%的能效，而最高級別（被稱為 “80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”）規(guī)定在10%的負(fù)載下能效超過90%，在100%的負(fù)載下能效超過94%。

通常情況下，功率因數(shù)的校正是通過將輸入主電源提升到高于主電源峰值的直流電平，然后使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）等技術(shù)將其整流到輸出水平，這也迫使線路的電流和電壓達(dá)到一致。

雖然這樣做很有效，但PFC級的固有損耗（升壓DC-DC2%，低壓橋式整流器2%）使得整個AC-DC電源單元達(dá)到80+Titanium所要求的96%）230VAC輸入，50%負(fù)載）幾乎不可能。

使用無橋設(shè)計(jì)（稱為圖騰柱PFC），輸入電源橋式二極管被一個更高效的同步整流器取代，升壓電感器的位置重新排列，以大大減少損耗。雖然這給出了理論上100%的能效，但非理想的電感和有源開關(guān)的導(dǎo)通和開關(guān)損耗使這在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)不了。

連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 和非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 等方法在高功率和低功率水平上都有局限性，因此臨界導(dǎo)通模式 （CrM） 通常用于高達(dá)幾百瓦的功率。在這里，隨著負(fù)載電流或電源電壓的波動，不同的開關(guān)頻率迫使在CCM和DCM之間的邊界上運(yùn)行，從而提供低導(dǎo)通損耗，同時限制峰值電流以提供可接受的導(dǎo)通和內(nèi)核損耗。

CrM的可變開關(guān)頻率意味著在輕載時的頻率更高，增加了開關(guān)損耗，降低了能效--這對于滿足計(jì)算PSU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的待機(jī)或空載能耗限制是個真正的問題。然而，這可通過鉗位/“返走”開關(guān)頻率來解決，從而強(qiáng)制在輕載下工作在DCM模式。

TPPFC架構(gòu)允許實(shí)現(xiàn)最終的PFC能效，但設(shè)計(jì)可能是個挑戰(zhàn)，需要控制四個有源開關(guān)器件，檢測零電流以強(qiáng)制CrM，調(diào)節(jié)輸出并提供過電流和過電壓保護(hù)。以前使用需要軟件編碼的數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步增加了挑戰(zhàn)，特別是對于不太熟悉或經(jīng)驗(yàn)不足的電源設(shè)計(jì)人員。

為了解決這些挑戰(zhàn)，安森美（onsemi） 提供NCP1680--業(yè)界首款混合信號CrM圖騰柱控制器。該器件具有新穎的低損耗電流檢測架構(gòu)和成熟的控制算法，是一種高性價比、高性能和快速上市的解決方案。因此，在外部只需要一些簡單的元器件就可以實(shí)現(xiàn)全功能的圖騰柱PFC，從而節(jié)省了空間和元器件成本。此外，無需昂貴的霍爾效應(yīng)傳感器就能實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制。

使用 NCP1680 的圖騰柱 PFC 的典型應(yīng)用圖

評估板在265VAC、395VDC下提供300瓦。快速支路開關(guān)采用GaN HEMT，交流電同步整流器采用Si-MOSFET，在整個電源電壓范圍內(nèi)在低至20%的負(fù)載下表現(xiàn)出98%的能效。

圖騰柱架構(gòu)的采用在很大程度上受到采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件的推動，因?yàn)镾iC和GaN在用于圖騰柱的快速支路時具有優(yōu)勢（主要是低反向恢復(fù)電荷）。NCP1680可以適應(yīng)任何開關(guān)類型，無論是基于硅的超級結(jié)硅MOSFET還是SiC或GaN器件。

責(zé)任編輯：haq