離線開關(guān)電源 (SMPS)設計方案

離線開關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負載將電網(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)電源包含兩個轉(zhuǎn)換級，為了實現(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撲也很重要。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎知識，以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分，將重點介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場信息和趨勢。

離線開關(guān)電源 (SMPS) 是根據(jù)終端負載將電網(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)電源包含兩個轉(zhuǎn)換級，為了實現(xiàn)更高的效率，需要采用性能更好的電源開關(guān)或?qū)嵤┎煌目刂撇呗浴４送?，根?jù)具體情況選擇更合適的拓撲也很重要。本系統(tǒng)方案指南將介紹有關(guān)離線 SMPS 的基礎知識，以及安森美 (onsemi)的精選產(chǎn)品和解決方案。本文為第一部分，將重點介紹系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)描述、市場信息和趨勢。

系統(tǒng)用途

自上個世紀以來，離線 SMPS 一直備受矚目，相關(guān)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(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)中心服務器電源裝置。

寬禁帶半導體產(chǎn)品層出不窮，這讓廠商可以根據(jù)實際情況自行采用新的拓撲來優(yōu)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(tǒng)安全性、降低功耗并改善性能。

為了實現(xiàn)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(jié)能減排，歐盟執(zhí)行委員會新發(fā)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(tǒng)實現(xiàn)

3kw 圖騰柱 PFC+LLC PSU 參考設計

典型的離線 SMPS

系統(tǒng)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(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(jié)能減排，世界各地都制定了相關(guān)的法規(guī)標準，例如美國加州能源委員會制定的法規(guī)、能源之星認證以及歐盟的節(jié)能相關(guān)產(chǎn)品 (ErP) 指令等。美國能源部 (DoE) 針對壁掛式或桌面式外部電源發(fā)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(gòu)“聯(lián)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(xiàn) 80% 或更高的效率，并在 100% 負載條件下實現(xiàn) 0.9 或更高的功率因數(shù)，其最高等級(即“80+ 鈦金”標準)規(guī)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(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(fā)電及過程中重要設備相關(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)的替代指標來使用。PFC 級的另一個重要價值在于能提供穩(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(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 級的關(guān)鍵挑戰(zhàn)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(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，因為工作模式不僅影響拓撲的選擇，還會影響整個系統(tǒng)的設計。CCM(連續(xù)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(chǎn)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(yōu)點在于電流環(huán)路本質(zhì)上比較穩(wěn)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(guān)斷時二極管不會產(chǎn)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(guān)損耗。

通常在系統(tǒng)處于輕載時，CrM/CCM切換到DCM(斷續(xù)導通模式)，以確保較高的功率因數(shù)，并抑制因頻率在過零點附近大幅升高而產(chǎn)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(guān)頻率擴展。當轉(zhuǎn)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(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，導致開關(guān)損耗增加。此時還需添加一個電路來補償 DCM 產(chǎn)生的死區(qū)時間，使線路電流保持正確的波形。

1. 寬禁帶半導體

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(fā)新的設計。

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，我們需要減小寄生電感。將 GaN HEMT 和驅(qū)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(guān)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(chǎn)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(guān)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(huán)電流，成為中高功率應用的優(yōu)選 DC-DC 拓撲。寬禁帶半導體在這些新拓撲中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而智能低功耗控制器是關(guān)乎高效率的另一個重要因素。