Блог

Oct 17, 2023

Устранение необходимости в микроконтроллере (и кодировании) в высокоэффективных источниках питания переменного/постоянного тока

ДЖОН ХАРПЕР | Питание Onsemi Grid представляет собой переменный ток по многим веским причинам, однако почти каждому устройству для работы требуется питание постоянного тока. Это означает, что источники питания переменного и постоянного тока используются практически повсеместно, и во времена

ДЖОН ХАРПЕР | Онземия

По многим причинам сетевое питание представляет собой переменный ток, однако почти каждому устройству для работы требуется питание постоянного тока. Это означает, что источники питания переменного и постоянного тока используются практически повсюду, и в эпоху экологического сознания и роста цен на электроэнергию их эффективность имеет решающее значение для контроля эксплуатационных расходов и разумного использования энергии.

Проще говоря, эффективность — это соотношение входной и выходной мощности. Однако необходимо учитывать входной коэффициент мощности (PF) — это соотношение между полезной (истинной) мощностью и полной (кажущейся) мощностью в любом устройстве с питанием от переменного тока, включая источники питания.

При чисто резистивной нагрузке коэффициент мощности будет равен 1,00 («единица»), но реактивная нагрузка уменьшит коэффициент мощности по мере увеличения полной мощности, что приведет к снижению эффективности. Коэффициент мощности меньше единицы возникает из-за сдвинутых по фазе напряжения и тока, значительного содержания гармоник или искаженной формы сигнала тока, что часто встречается в прерывистых электронных нагрузках, таких как импульсные источники питания (SMPS).

Учитывая влияние на эффективность, которое оказывает низкий коэффициент мощности при уровнях мощности выше 70 Вт, законодательство требует от разработчиков включать схемы, которые будут корректировать коэффициент мощности до значения, близкого к единице. Часто активная коррекция коэффициента мощности (PFC) использует повышающий преобразователь, который преобразует выпрямленное сетевое напряжение в постоянный ток высокого уровня. Затем эта шина регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или других методов.

Этот подход обычно работает и прост в развертывании. Однако современные требования к эффективности, такие как сложный стандарт «80+ Titanium», предусматривают эффективность в широком диапазоне рабочих мощностей, требуя пикового КПД 96% при половинной нагрузке. Это означает, что каскад линейного выпрямления и PFC должен достичь 98%, поскольку следующий DC-DC ШИМ потеряет еще 2%. Достичь этого очень сложно из-за потерь в диодах мостового выпрямителя.

Замена повышающего диода на синхронный выпрямитель помогает, и два линейных выпрямительных диода можно заменить аналогичным образом, что еще больше повышает эффективность. Эта топология называется PFC тотемного полюса (TPPFC), и теоретически при идеальном дросселе и идеальных переключателях эффективность будет приближаться к 100%. В то время как кремниевые МОП-транзисторы обеспечивают хорошие характеристики, устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) гораздо ближе к «идеальным» характеристикам.

Поскольку разработчики увеличивают частоту для уменьшения размера магнитных компонентов, динамические потери в переключающих устройствах также увеличиваются. Поскольку в кремниевых МОП-транзисторах эти потери могут быть значительными, разработчики обращаются к материалам WBG, включая карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), особенно для приложений TPPFC.

Критический режим проводимости (CrM), как правило, является предпочтительным подходом для конструкций TPPFC на уровнях мощности до нескольких сотен Вт, обеспечивая баланс между эффективностью и характеристиками электромагнитных помех. В киловаттных конструкциях режим непрерывной проводимости (CCM) дополнительно снижает среднеквадратичный ток внутри переключателей, уменьшая потери проводимости.

Даже CrM может наблюдать падение эффективности, приближающееся к 10% при небольших нагрузках, что является препятствием на пути к достижению «Titanium 80 Plus». Ограничение («свертывание») максимальной частоты переводит схему в режим DCM при небольших нагрузках, тем самым значительно снижая пиковые токи.

С четырьмя активными устройствами, которые должны управляться синхронно, и необходимостью обнаружения перехода индуктивности через нулевой ток для включения CrM, конструкция TPPFC может оказаться далеко не тривиальной. Кроме того, схема должна включать/выключать DCM, сохраняя при этом высокий коэффициент мощности и генерируя сигнал ШИМ для регулирования выходного сигнала, а также обеспечивая защиту цепи (например, от перегрузки по току и перенапряжению).

Очевидный способ решить эти сложности — использовать микроконтроллер (MCU) для алгоритмов управления. Однако для этого требуется генерация и отладка кода, что добавляет значительные усилия и риски при проектировании.

Однако трудоемкого кодирования можно избежать, используя полностью интегрированное решение управления TPPFC. Эти устройства предлагают ряд преимуществ, включая высокую производительность, сокращение времени проектирования и снижение рисков проектирования, поскольку они устраняют необходимость во внедрении микроконтроллера и связанного с ним кода.