設(shè)計(jì)高能效AC-DC電源不再需要MCU（和編碼）

電網(wǎng)因?yàn)橹T多原因而被設(shè)計(jì)成交流電，但幾乎每臺(tái)設(shè)備都需要直流電才能運(yùn)行。因此，AC-DC 電源幾乎無處不在，隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和能源價(jià)格的上漲，此類電源的效率對于降低運(yùn)行成本和合理利用能源至關(guān)重要。

簡單地說，效率就是輸入功率與輸出功率之比。但是，必須要考慮輸入功率因數(shù) (PF)，即所有 AC 供電設(shè)備（包括電源）的有用（實(shí)際）功率與總（視在）功率之比。

對于純阻性負(fù)載，PF 將為 1.00（“單位”），但隨著視在功率的升高，無功負(fù)載會(huì)降低 PF，從而導(dǎo)致效率降低。小于 1 的 PF 由異相電壓和電流引起，在開關(guān)型電源 (SMPS) 等不連續(xù)電子負(fù)載中常常會(huì)出現(xiàn)諧波含量高或電流波形失真的情況。

PF校正

考慮到低 PF 對效率的影響，當(dāng)功率水平高于 70W 時(shí)，法規(guī)要求設(shè)計(jì)人員通過電路將 PF 校正到接近 1。通常，有源 PF 校正 (PFC) 采用升壓轉(zhuǎn)換器，將整流電源轉(zhuǎn)換為高直流電平。然后使用脈寬調(diào)制 (PWM) 或其他技術(shù)對該電源軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。

此方法通常有效且易于部署。然而，如今有關(guān)效率的諸多要求，如具有挑戰(zhàn)性的“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”，規(guī)定了整個(gè)寬工作功率范圍內(nèi)的效率，要求半負(fù)載時(shí)的峰值效率需達(dá)到 96%。這意味著線路整流和 PFC 級必須達(dá)到 98%，因?yàn)榻酉聛淼?PWM DC-DC 將會(huì)進(jìn)一步損耗 2%。要做到這一點(diǎn)非常難，因?yàn)闃蚴秸髌髦械亩O管也會(huì)出現(xiàn)損耗。

用同步整流器替換升壓二極管會(huì)有所幫助，或者，也可以更換兩個(gè)線性整流二極管，以進(jìn)一步提高效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為圖騰柱 PFC (TPPFC)，理論上，使用理想的電感和開關(guān)，效率將會(huì)接近 100%。雖然硅 MOSFET 具有良好的性能，但寬禁帶 (WBG) 器件的性能更接近“理想”水平。

圖 1：簡化的圖騰柱 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

處理損耗

隨著設(shè)計(jì)人員不斷增加頻率以減小磁性組件的尺寸，開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)損耗也隨之增加。由于硅 MOSFET 的這些損耗可能很大，設(shè)計(jì)人員正轉(zhuǎn)而考慮使用 WBG 材料，其中包括碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN)，特別是對于 TPPFC 應(yīng)用。

臨界導(dǎo)通模式 (CrM) 通常是功率水平高達(dá)幾百瓦的 TPPFC 設(shè)計(jì)的首選方法，它可以平衡效率和 EMI 性能。在千瓦級設(shè)計(jì)中，連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 可進(jìn)一步降低開關(guān)內(nèi)的 RMS 電流，從而減少導(dǎo)通損耗。

圖 2：典型 PFC 電路：傳統(tǒng)升壓（左）和無橋圖騰柱（右）

即使是 CrM，在輕載下的效率也會(huì)下降近10%，不利于實(shí)現(xiàn)“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”。箝位（“折返”）最大頻率迫使電路在輕載下進(jìn)入 非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，從而顯著降低峰值電流。

解決設(shè)計(jì)復(fù)雜性

由于需要同步驅(qū)動(dòng)四個(gè)有源器件，并且需要檢測電感的零電流交越以強(qiáng)制 CrM，因此 TPPFC 設(shè)計(jì)絕非易事。此外，電路必須能夠切換進(jìn)/出 DCM，同時(shí)保持一個(gè)高功率因數(shù)并生成一個(gè) PWM 信號來調(diào)節(jié)輸出，并且提供電路保護(hù)（例如過流和過壓）。

要解決這些復(fù)雜難題，最顯而易見的方法是部署微控制器 (MCU) 來執(zhí)行控制算法。但這需要生成和調(diào)試代碼，反而會(huì)增加設(shè)計(jì)的工作量和風(fēng)險(xiǎn)。

基于 CrM 的 TPPFC 無需編碼

不過，使用完全集成的 TPPFC 控制方案就可以免去費(fèi)時(shí)的編碼工作。這些器件具有多種優(yōu)勢，包括高性能、更短的設(shè)計(jì)時(shí)間和更低的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儾辉傩枰渴?MCU 和相關(guān)代碼。

安森美 (onsemi) 的NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器就是這類器件的典范，它可以在具有恒定導(dǎo)通時(shí)間的 CrM 下工作，確保在整個(gè)寬負(fù)載范圍內(nèi)帶來出色的效率。該集成器件在輕載下具有頻率折返“谷底開關(guān)”功能，可通過在最低電壓下進(jìn)行開關(guān)操作來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償，可優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的性能，同時(shí)能夠確保設(shè)計(jì)過程仍簡單。

圖 3：NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器

這款創(chuàng)新的 TPPFC 控制器采用新穎的低損耗方法進(jìn)行電流檢測和逐周期限流，無需外部霍爾效應(yīng)傳感器即可提供出色的保護(hù)，從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。

圖 4：NCP1680 典型應(yīng)用原理圖

全套控制算法都嵌入在該 IC 中，為設(shè)計(jì)人員提供了低風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)過試用和測試驗(yàn)證的方案，以高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)高性能。