設(shè)計高能效AC-DC電源不再需要MCU（和編碼）

作者：時間：2023-07-21 來源：安森美

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電網(wǎng)因為諸多原因而被設(shè)計成交流電，但幾乎每臺設(shè)備都需要直流電才能運行。因此，AC-DC 電源幾乎無處不在，隨著環(huán)保意識的加強和能源價格的上漲，此類電源的效率對于降低運行成本和合理利用能源至關(guān)重要。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202307/448852.htm

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（實際）功率與總（視在）功率之比。

對于純阻性負載，PF 將為 1.00（“單位”），但隨著視在功率的升高，無功負載會降低 PF，從而導致效率降低。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)電子負載中常常會出現(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，當功率水平高于 70W 時，法規(guī)要求設(shè)計人員通過電路將 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標準”，規(guī)定了整個寬工作功率范圍內(nèi)的效率，要求半負載時的峰值效率需達到 96%。這意味著線路整流和 PFC 級必須達到 98%，因為接下來的 PWM DC-DC 將會進一步損耗 2%。要做到這一點非常難，因為橋式整流器中的二極管也會出現(xiàn)損耗。

用同步整流器替換升壓二極管會有所幫助，或者，也可以更換兩個線性整流二極管，以進一步提高效率。這種拓撲結(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 拓撲結(jié)構(gòu)

處理損耗

隨著設(shè)計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 應用。

臨界導通模式 (CrM) 通常是功率水平高達幾百瓦的 TPPFC 設(shè)計的首選方法，它可以平衡效率和 EMI 性能。在千瓦級設(shè)計中，連續(xù)導通模式 (CCM) 可進一步降低開關(guān)內(nèi)的 RMS 電流，從而減少導通損耗。

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下降近10%，不利于實現(xiàn)“80+ Titanium標準”。箝位（“折返”）最大頻率迫使電路在輕載下進入非連續(xù)導通模式(DCM)，從而顯著降低峰值電流。

解決設(shè)計復雜性

由于需要同步驅(qū)動四個有源器件，并且需要檢測電感的零電流交越以強制 CrM，因此 TPPFC 設(shè)計絕非易事。此外，電路必須能夠切換進/出 DCM，同時保持一個高功率因數(shù)并生成一個 PWM 信號來調(diào)節(jié)輸出，并且提供電路保護（例如過流和過壓）。

要解決這些復雜難題，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，反而會增加設(shè)計的工作量和風險。

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時的編碼工作。這些器件具有多種優(yōu)勢，包括高性能、更短的設(shè)計時間和更低的設(shè)計風險，因為它們不再需要部署 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通時間的 CrM 下工作，確保在整個寬負載范圍內(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)部補償，可優(yōu)化整個負載范圍內(nèi)的性能，同時能夠確保設(shè)計過程仍簡單。