離線開關(guān)電源 (SMPS)設(shè)計(jì)方案

離線開關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負(fù)載將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常，這種開關(guān)電源包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，需要采用性能更好的電源開關(guān)或?qū)嵤┎煌目刂撇呗?。此外，根?jù)具體情況選擇更合適的拓?fù)湟埠苤匾?。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎(chǔ)知識(shí)，以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分，將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場(chǎng)信息和趨勢(shì)。

離線開關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負(fù)載將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常，這種開關(guān)電源包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，需要采用性能更好的電源開關(guān)或?qū)嵤┎煌目刂撇呗?。此外，根?jù)具體情況選擇更合適的拓?fù)湟埠苤匾?。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎(chǔ)知識(shí)，以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分，將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場(chǎng)信息和趨勢(shì)。

系統(tǒng)用途

自上個(gè)世紀(jì)以來，離線 SMPS 一直備受矚目，相關(guān)研究層見迭出，并廣泛應(yīng)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(wǎng)供電的開關(guān)電源，適用范圍涵蓋 從65W 的筆記本電腦電池充電器，到數(shù)千瓦的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源裝置。

寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品層出不窮，這讓廠商可以根據(jù)實(shí)際情況自行采用新的拓?fù)鋪韮?yōu)化效率、尺寸和集成水平。新設(shè)計(jì)的控制器還有助于提高系統(tǒng)安全性、降低功耗并改善性能。

為了實(shí)現(xiàn)全球“零碳”目標(biāo)，SMPS 必須滿足更嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)，盡可能地降低能源消耗和碳排放。例如，為促進(jìn)節(jié)能減排，歐盟執(zhí)行委員會(huì)新發(fā)布的 CoC V5 和美國能源部的 DoE VI 對(duì)滿載和輕載/空載時(shí)的功率損耗與效率提出了明確的要求。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3kw 圖騰柱 PFC+LLC PSU 參考設(shè)計(jì)

典型的離線 SMPS

系統(tǒng)描述

1. 標(biāo)準(zhǔn)

目前主要有三類標(biāo)準(zhǔn)，其中包括安全標(biāo)準(zhǔn)和輻射標(biāo)準(zhǔn)。目前最新修訂的 IEC 62368-1 第二版就屬于安全標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàng)國際輻射標(biāo)準(zhǔn)，通過規(guī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電流不超過 16A 的設(shè)備，額定電流大于 16A 的設(shè)備應(yīng)遵循 IEC 61000-3-12。

為了促進(jìn)節(jié)能減排，世界各地都制定了相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，例如美國加州能源委員會(huì)制定的法規(guī)、能源之星認(rèn)證以及歐盟的節(jié)能相關(guān)產(chǎn)品 (ErP) 指令等。美國能源部 (DoE) 針對(duì)壁掛式或桌面式外部電源發(fā)布了一套分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中 Level VI 是最新且最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)歐洲委員會(huì)的科學(xué)和知識(shí)服務(wù)機(jī)構(gòu)“聯(lián)合研究中心”制定了一套歐盟外部電源供應(yīng)器 (EPS) 行為準(zhǔn)則 (CoC)。

此外還有 80 PLUS® 計(jì)劃，該計(jì)劃致力于推動(dòng)在 20% 至 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 80% 或更高的效率，并在 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 0.9 或更高的功率因數(shù)，其最高等級(jí)(即“80+ 鈦金”標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定，在 20% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 92%，在 100% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 94%。

2. 功率因數(shù)校正

PFC(功率因數(shù)校正)是離線電源的關(guān)鍵組成部分。PFC 的主要任務(wù)是對(duì)輸入電流進(jìn)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(shí)際功率，而后者能夠減少與配電、發(fā)電及過程中重要設(shè)備相關(guān)的損耗和成本。THD(總諧波失真)是確定系統(tǒng)中線路電流質(zhì)量的重要方法，經(jīng)常作為功率因數(shù)的替代指標(biāo)來使用。PFC 級(jí)的另一個(gè)重要價(jià)值在于能提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，這樣便能為后續(xù)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供范圍較窄的直流輸入，從而優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。

3. DC-DC 級(jí)

DC-DC 級(jí)的作用是通過隔離變壓器和 PWM 或諧振轉(zhuǎn)換器，將一定范圍的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓和電流。DC-DC 級(jí)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于磁元件的設(shè)計(jì)。例如，趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器出現(xiàn)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(jīng)典工作模式，因?yàn)楣ぷ髂Ｊ讲粌H影響拓?fù)涞倪x擇，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。CCM(連續(xù)導(dǎo)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(yīng)用。在 CCM 下，電感電流紋波較小，但 MOSFET 會(huì)在升壓二極管導(dǎo)通時(shí)接通。所以我們需使用低 trr 二極管來避免 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生過大的損耗和應(yīng)力。CrM(臨界導(dǎo)通模式)非常適合低功耗應(yīng)用。

在此模式下，電感電流會(huì)在達(dá)到零后開始下一個(gè)周期，并且頻率會(huì)隨線路電壓和負(fù)載條件的變化而變化。CrM 的一大優(yōu)點(diǎn)在于電流環(huán)路本質(zhì)上比較穩(wěn)定且不需要斜坡補(bǔ)償。此外，電感電流在每個(gè)周期都會(huì)降至零，所以關(guān)斷時(shí)二極管不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，就算使用較便宜的升壓二極管也不會(huì)有損性能。同樣，MOSFET 可以在低電壓下導(dǎo)通，從而降低開關(guān)損耗。

通常在系統(tǒng)處于輕載時(shí)，CrM/CCM切換到DCM(斷續(xù)導(dǎo)通模式)，以確保較高的功率因數(shù)，并抑制因頻率在過零點(diǎn)附近大幅升高而產(chǎn)生 EMI。

FCCrM(頻率箝位臨界導(dǎo)通模式)是安森美提出的一種方法，用于限制 CrM 電路的開關(guān)頻率擴(kuò)展。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輕載和/或線路電壓過零點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，最大頻率箝位會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)切換到 DCM。如果不采用這樣的電路，CrM 開關(guān)頻率將超過箝位上限，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加。此時(shí)還需添加一個(gè)電路來補(bǔ)償 DCM 產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，使線路電流保持正確的波形。

1. 寬禁帶半導(dǎo)體

寬禁帶器件正在批量化生產(chǎn)，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(fù)性能優(yōu)異、熱性能出色、工作電壓及溫度較高等諸多優(yōu)勢(shì)特性，可以讓新系統(tǒng)提高頻率并縮小 PCB 尺寸，甚至無需散熱片或進(jìn)行強(qiáng)制散熱。但高頻率可能會(huì)帶來輻射、過沖等潛在問題，所以我們必須研發(fā)新的設(shè)計(jì)。

2. 集成

可以節(jié)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(chǎn)品的尺寸。在 dv/dt 可能超過 100V/ns 時(shí)，我們需要減小寄生電感。將 GaN HEMT 和驅(qū)動(dòng)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(guān)性能。

3. 新拓?fù)淇商岣咝?

圖騰柱PFC 降低由整流橋造成的損耗，因而在高功率密度產(chǎn)品中，它是比單升壓更好的 PFC 拓?fù)?。如今，LLC 憑借更寬的軟開關(guān)范圍、整個(gè)負(fù)載變化過程中較窄的頻率范圍以及較小的循環(huán)電流，成為中高功率應(yīng)用的優(yōu)選 DC-DC 拓?fù)?。寬禁帶半?dǎo)體在這些新拓?fù)渲邪l(fā)揮著關(guān)鍵作用，而智能低功耗控制器是關(guān)乎高效率的另一個(gè)重要因素。