如何選擇最優(yōu)的190 W纖薄PFC電源段方案?
大多數(shù)功率因數(shù)校正(PFC)電源段采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作,這種模式控制電感電流從零躍升至期望的峰值電平,然后又降至零。由于這種模式依賴于電流周期的時長,故開關(guān)頻率以交流線路電流需求的函數(shù)形式變化。不利的是,功率需求較低時,從交流線路流入的電流較小,開關(guān)頻率“飆升”。這樣一來,采用大電感就是將開關(guān)損耗和干擾降到可接受水平的唯一方式。
頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)是安森美半導(dǎo)體NCP1606或NCP1631等控制器嵌入的一種技術(shù)。采用這種模式工作時,在高負(fù)載條件下,功率因數(shù)校正段以CrM工作,但在中等負(fù)載/輕載條件下( ),限制開關(guān)頻率以提升能效。與傳統(tǒng)CrM電路相比,F(xiàn)CCrM支持使用更小的電感(見參考資料[1])。實際上,交錯式FCCrM PFC似乎進(jìn)一步縮減了磁性元件的尺寸及成本。這些優(yōu)勢在190 W低高度電源中得以展現(xiàn)。
本文在參考資料[1]所示文章基礎(chǔ)上進(jìn)一步推進(jìn)研究,在相同的190 W寬主電源輸入范圍、最大厚度13 mm的應(yīng)用中探究總體PFC成本問題。
電感考慮事項表1重提了參考資料[1]的主要結(jié)論。由于FCCrM鉗位開關(guān)頻率,就不需要大電感來拉低CrM開關(guān)頻率范圍。因此,F(xiàn)CCrM大幅減小PFC段電感尺寸,采用交錯式FCCrM方案時尤為如此。事實上,如表1所述,可以選擇下述磁性元件用于190 W(輸入功率)、寬主電源范圍、最大厚度13 mm的電視應(yīng)用:
?CrM方案:兩個EFD30串聯(lián)
?FCCrM方案:單個EFD30
?交錯式FCCrM方案:兩個EFD20(每個支路一個)
橫向比較
下一步,為了比較不同方案,我們以300 W的46英寸液晶電視電源參考板(見參考資料[2])作實驗來比較這三種PFC方案。此參考板由安森美半導(dǎo)體開發(fā),嵌入了由NCP1631(見參考資料[3])驅(qū)動的FCCrM交錯式PFC。我們利用這電路板來比較我們190 W應(yīng)用的三種方案。由于本應(yīng)用中集成的電感與表1中定義的電感不同(本應(yīng)用中原線圈尺寸針對的是300 W功率),首要修改此應(yīng)用,確保能夠使用2個EFD20元件。第二步, 動態(tài)地調(diào)節(jié)電路,測試CrM和FCCrM單相方案。就每項測試而言,PFC段的設(shè)計要使得三種方案的能效保持在接近相同的水平。
在圖1中,我們可以看到采用調(diào)整后的交錯式配置的電路板,這可從兩個“飛跨”(flying)電感得到證實;圖2顯示的則是如何應(yīng)用CrM控制器(即NCP1607,見參考資料[4]),而非原有的NCP1631交錯式驅(qū)動器。
各種方案參數(shù)對比
不同的方案中,電感并不必然是唯一需要修改的元件。PFC段必須根據(jù)所測試的方案來調(diào)整。表2小結(jié)了構(gòu)建這三種方案使用的經(jīng)過了實際測試驗證的主要設(shè)計指引。
交錯式PFC包含兩個支路,每個支路各傳輸總功率的50%。因此,這種方案采用的元器件數(shù)量更多,但尺寸更小。為了簡單起見,這里就不具體的交錯式設(shè)計準(zhǔn)則。但如參考資料[5]中所詳細(xì)介紹的,交錯式技術(shù)能夠優(yōu)化下列元器件:
-功率MOSFET:在每個支路,MOSFET均方根(rms)電流僅為單相CrM或FCCrM PFC段中使用的11 A MOSFET的電流的一半。兩顆5 A MOSFET替代了11 A MOSFET。
-升壓二極管:同樣,每個支路的升壓二極管傳輸?shù)碾娏魇强傠娏鞯囊话?。因此,各個支路就有可能使用較小的MUR160。
-大電容:交錯式方案迫使兩個支路異相(out-of-phase)工作,旨在大幅降低大電容的均方根電流(降至0.8 A而非1.3 A)。這樣,就可能使用2個39 μF/450 V電容,而非3個。
-電磁干擾(EMI)濾波器:交錯式方案也削弱了電流紋波。例如,根據(jù)參考資料[5]所示,在典型寬主電源電壓應(yīng)用中,峰值到峰值紋波在0至60%之間變化。減小的紋波簡化了差模濾波。如圖3所示,交錯式PFC采用了10 μH電感來通過EN55022規(guī)范,而單相CrM(或FCCrM) PFC要求使用50 μH差模線圈。
FCCrM與CrM單相方案采用幾乎相同的功率元器件,因為它們在重負(fù)載條件下采用相同方式工作,器件的參數(shù)也是針對重負(fù)載條件工作而選定的。但如前所述,F(xiàn)CCrM方案中使用的電感尺寸更小。(單FCCrM方案段中)使用了單個200 μH EFD30線圈,而非兩個串聯(lián)的200 μH EFD30線圈。顯而易見的是,控制器也變了。CrM方案采用NCP1607驅(qū)動(見參考資料[4])。為了方便起見,沒有使 用特別控制器來測試FCCrM單相方案,相反,我們復(fù)用了參考板中使用的NCP1631交錯式FCCrM控制器,只是簡單地關(guān)閉驅(qū)動第二個支路的輸出,從而獲得單相FCCrM工作。
小結(jié)
表3小結(jié)了三種方案的設(shè)計差別,其中根據(jù)所選擇的方案列舉了可能選擇的主要元器件,其中包括控制器(單相方案中采用了專用FCCrM控制器NCP1605而非NCP1631)。根據(jù)這些設(shè)計差別推算成本優(yōu)劣勢,可以看出交錯式方案是性價比最高的方案。單相FCCrM是成本第二低的方案,而傳統(tǒng)CrM方案成本最高!如果以CrM方案作為參照,其它方案提供的優(yōu)勢小結(jié)如下(見表1):
表3-FCCrM單相方案少用一個EFD30電感
-FCCrM交錯式方案也減小磁性元件(使用兩個EFD20而非兩個EFD30), 但進(jìn)一步節(jié)省一個39 μF/450 V電容,從而能夠使用較小的差模扼流圈,并采用更小、更便宜的MOSFET及升壓二極管工作。
計算出精確的成本優(yōu)勢很困難。但是,仍然以CrM方案作為參照,并顧及(大批量)消費市場的成本結(jié)構(gòu),可以粗略估計出交錯式PFC方案具有0.5美元的成本優(yōu)勢,而(單相式)FCCrM的成本優(yōu)勢減半。
FCCrM單相及交錯式方案總體上更便宜,盡管用于驅(qū)動它們的控制器(分別是NCP1605和NCP1631)成本更高。這兩款I(lǐng)C集成了比NCP1607 CrM控制器更多的功能,如輸入欠壓保護(hù)、待機管理功能,或在大電壓不是額定值時關(guān)閉下行轉(zhuǎn)換器的“pfcOK”信號。這些額外特性能夠幫助最終應(yīng)用節(jié)省元器件,因此進(jìn)一步增強FCCrM單相及交錯式方案的成本優(yōu)勢。
結(jié)論
雖然通常人們認(rèn)為單相CrM方案是200 W及以下功率應(yīng)用最便宜的PFC方案,但本文的研究顯示,F(xiàn)CCrM交錯式方案實際上是我們所舉190 W應(yīng)用性價比最高的方案。當(dāng)我們仔細(xì)考慮其特別優(yōu)勢時,這個結(jié)論完全不奇怪。交錯式方案要求更多的元器件,但它們尺寸更小,成本更低。此外,輸入及輸出電流紋波減小也支持使用更廉價的EMI濾波器及大電容。最后,F(xiàn)CCrM工作大幅減小電感尺寸,這種特性使得單相FCCrM方案優(yōu)于單相CrM方案。顯而易見的是,這些研究結(jié)論尤為適用于低高度(13 mm)裝置,但在元器件選擇靈活度更高的其它應(yīng)用中仍然適用。
參考資料
[1] 《減小電感尺寸,設(shè)計纖薄的PFC段》,《電子設(shè)計技術(shù)》2010年9月刊, http://article.ednchina.com/Other/Reduce_the_inductor_size_the_design_of_the_PFC_power_supply_section_of_thin.htm
[2] 參考設(shè)計,http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/TND401-D.PDF
[3] NCP1631數(shù)據(jù)表,http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1631-D.PDF
[4] NCP1607數(shù)據(jù)表,http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1607-D.PDF
[5] “交錯式PFC特性”,應(yīng)用注釋AND8355,http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND8355-D.PDF
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