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        電源工程師必看,離線開關電源 (SMPS) 系統設計保姆級教程

        發布時間:2024-04-11 來源:安森美 責任編輯:lina

        【導讀】離線開關電源 (SMPS) 是根據終端負載將電網電源轉換為直流電源的經典產品。通常,這種開關電源包含兩個轉換級,為了實現更高的效率,需要采用性能更好的電源開關或實施不同的控制策略。此外,根據具體情況選擇更合適的拓撲也很重要。本系統方案指南將介紹有關離線 SMPS 的基礎知識,以及安森美 (onsemi)的精選產品和解決方案。本文為第一部分,將重點介紹系統用途、系統實現、系統描述、市場信息和趨勢。


        離線開關電源 (SMPS) 是根據終端負載將電網電源轉換為直流電源的經典產品。通常,這種開關電源包含兩個轉換級,為了實現更高的效率,需要采用性能更好的電源開關或實施不同的控制策略。此外,根據具體情況選擇更合適的拓撲也很重要。本系統方案指南將介紹有關離線 SMPS 的基礎知識,以及安森美 (onsemi)的精選產品和解決方案。本文為第一部分,將重點介紹系統用途、系統實現、系統描述、市場信息和趨勢。


        系統用途


        自上個世紀以來,離線 SMPS 一直備受矚目,相關研究層見迭出,并廣泛應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供電的開關電源,適用范圍涵蓋 從65W 的筆記本電腦電池充電器,到數千瓦的數據中心服務器電源裝置。


        寬禁帶半導體產品層出不窮,這讓廠商可以根據實際情況自行采用新的拓撲來優化效率、尺寸和集成水平。新設計的控制器還有助于提高系統安全性、降低功耗并改善性能。


        為了實現全球“零碳”目標,SMPS 必須滿足更嚴格的效率標準,盡可能地降低能源消耗和碳排放。例如,為促進節能減排,歐盟執行委員會新發布的 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。


        系統實現


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        3kw 圖騰柱 PFC+LLC PSU 參考設計


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        典型的離線 SMPS


        系統描述


        1. 標準


        目前主要有三類標準,其中包括安全標準和輻射標準。目前最新修訂的 IEC 62368-1 第二版就屬于安全標準,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準,通過規定從第 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。這個標準適用于額定電流不超過 16A 的設備,額定電流大于 16A 的設備應遵循 IEC 61000-3-12。


        為了促進節能減排,世界各地都制定了相關的法規標準,例如美國加州能源委員會制定的法規、能源之星認證以及歐盟的節能相關產品 (ErP) 指令等。美國能源部 (DoE) 針對壁掛式或桌面式外部電源發布了一套分級標準,其中 Level VI 是最新且最嚴格的標準;同時歐洲委員會的科學和知識服務機構“聯合研究中心”制定了一套歐盟外部電源供應器 (EPS) 行為準則 (CoC)。


        此外還有 80 PLUS? 計劃,該計劃致力于推動在 20% 至 100% 負載條件下實現 80% 或更高的效率,并在 100% 負載條件下實現 0.9 或更高的功率因數,其最高等級(即“80+ 鈦金”標準)規定,在 20% 負載時效率至少要達到 92%,在 100% 負載時效率至少要達到 94%。



        2. 功率因數校正



        PFC(功率因數校正)是離線電源的關鍵組成部分。PFC 的主要任務是對輸入電流進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、發電及過程中重要設備相關的損耗和成本。THD(總諧波失真)是確定系統中線路電流質量的重要方法,經常作為功率因數的替代指標來使用。PFC 級的另一個重要價值在于能提供穩定的直流輸出電壓,這樣便能為后續的隔離式 DC-DC 轉換器提供范圍較窄的直流輸入,從而優化整體設計。



        3. DC-DC 級



        DC-DC 級的作用是通過隔離變壓器和 PWM 或諧振轉換器,將一定范圍的輸入電壓轉換為所需的直流輸出電壓和電流。DC-DC 級的關鍵挑戰在于磁元件的設計。例如,趨膚效應和鄰近效應會導致高頻變壓器出現渦流,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典工作模式,因為工作模式不僅影響拓撲的選擇,還會影響整個系統的設計。CCM(連續導通模式)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用。在 CCM 下,電感電流紋波較小,但 MOSFET 會在升壓二極管導通時接通。所以我們需使用低 trr 二極管來避免 MOSFET 導通時產生過大的損耗和應力。CrM(臨界導通模式)非常適合低功耗應用。


        在此模式下,電感電流會在達到零后開始下一個周期,并且頻率會隨線路電壓和負載條件的變化而變化。CrM 的一大優點在于電流環路本質上比較穩定且不需要斜坡補償。此外,電感電流在每個周期都會降至零,所以關斷時二極管不會產生反向恢復損耗,就算使用較便宜的升壓二極管也不會有損性能。同樣,MOSFET 可以在低電壓下導通,從而降低開關損耗。


        通常在系統處于輕載時,CrM/CCM切換到DCM(斷續導通模式),以確保較高的功率因數,并抑制因頻率在過零點附近大幅升高而產生 EMI。


        FCCrM(頻率箝位臨界導通模式)是安森美提出的一種方法,用于限制 CrM 電路的開關頻率擴展。當轉換器在輕載和/或線路電壓過零點附近運行時,最大頻率箝位會強制系統切換到 DCM。如果不采用這樣的電路,CrM 開關頻率將超過箝位上限,導致開關損耗增加。此時還需添加一個電路來補償 DCM 產生的死區時間,使線路電流保持正確的波形。


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        市場信息和趨勢


        1. 寬禁帶半導體


        寬禁帶器件正在批量化生產,許多公司也隨之推出(或即將推出)基于 SiC/GaN 的 SMPS。SiC/GaN 材料兼具反向恢復性能優異、熱性能出色、工作電壓及溫度較高等諸多優勢特性,可以讓新系統提高頻率并縮小 PCB 尺寸,甚至無需散熱片或進行強制散熱。但高頻率可能會帶來輻射、過沖等潛在問題,所以我們必須研發新的設計。


        2. 集成


        可以節省 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性能。


        3. 新拓撲可提高效率


        圖騰柱PFC 降低由整流橋造成的損耗,因而在高功率密度產品中,它是比單升壓更好的 PFC 拓撲。如今,LLC 憑借更寬的軟開關范圍、整個負載變化過程中較窄的頻率范圍以及較小的循環電流,成為中高功率應用的優選 DC-DC 拓撲。寬禁帶半導體在這些新拓撲中發揮著關鍵作用,而智能低功耗控制器是關乎高效率的另一個重要因素。

        文章來源:安森美


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