如何增加AC/DC電源設計采用PFC+LLC拓撲時(shí)的靈活性

對于80～800W的通用交流輸入AC / DC電源設計，單級升壓PFC加上半橋LLC被認為是一種非常流行的拓撲。一般傳統做法，這樣的電源設計會(huì )采用模擬PFC+模擬LLC, 分開(kāi)或者組合的封裝。然而即使對于經(jīng)驗豐富的電源設計師而言，類(lèi)似的PFC+LLC仍然設計起來(lái)相當困難。通常情況下，這些設計可能涉及BOM中一百多個(gè)組件，每個(gè)原型迭代可能需要幾個(gè)星期到幾個(gè)月來(lái)構建和測試，并且可能需要長(cháng)達一年以上才能投入生產(chǎn)。難度還在于終端客戶(hù)會(huì )在不同設計階段甚至在量產(chǎn)時(shí)，提出新的功能要求，這使得電源供應商不得不重新設計并再次重新運行整個(gè)設計周期。雪上加霜的是，某些情況下新的功能要求并不能由現有的IC解決方案實(shí)現。例如，終端客戶(hù)發(fā)現他們的新一代產(chǎn)品在短路故障中需要實(shí)現自動(dòng)重啟功能，但是現設計出的IC在這樣的故障中只能實(shí)現鎖定保護。電源供應商可能會(huì )要求IC供應商設計出具有該功能的新IC，但是一般供應商也只有在該客戶(hù)值得花費時(shí)間和精力的情況下才會(huì )去設計新IC，而且這可能會(huì )花費幾個(gè)月的時(shí)間才能完成具有新功能的樣品!

對于電源各種各樣的性能要求每年在不斷加強，這給電源設計師添加了更多的挑戰，例如，歐洲CoC標準Tier2將于2016年1月實(shí)施，但大部分電源至今尚不能滿(mǎn)足其空載功耗要求(見(jiàn)表1)。特別是對于PC電源市場(chǎng)，越來(lái)越多的終端客戶(hù)都要求電源供應商提高效率和功率因數，以滿(mǎn)足黃金、鉑金甚至鈦金的效率標準(見(jiàn)表2)。

表1: 外置電源能量效率實(shí)施標準

表2: 對于PC電源80 plus的效率要求

除了能量效率，終端客戶(hù)通常也會(huì )要求其他的特性，如高功率因數，快速的瞬態(tài)響應，多級保護功能等。而其中一些特征如果采用模擬電路是難以實(shí)現的。為了滿(mǎn)足客戶(hù)要求，電源供應商使用數字控制來(lái)提高性能，獲得精確快速的采樣和更好的控制回路設計等優(yōu)勢。然而，在A(yíng)C-DC領(lǐng)域的客戶(hù)可能總是需要使用額外的DSP(數字信號處理器)或MCU(單片機)來(lái)實(shí)現數字化控制，而且常常需要雇用嵌入式開(kāi)發(fā)的程序員，這都增加了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。數字控制常常被認為是“高端且成本高昂”,所以一般只在某些高端電源如服務(wù)器,電動(dòng)跑車(chē)充電等應用中使用。

綜上所述，電源設計人員面臨的一些挑戰是：

1.從設計到生產(chǎn)各階段終端客戶(hù)多變的需求;

2. 從空載到滿(mǎn)載的高效率、高功率因數;

3.昂貴且難以實(shí)現的數字控制。

為了改善這種情況，一種解決辦法是使用一個(gè)足夠小、速度以及內存正好滿(mǎn)足需求的數字核用于A(yíng)C-DC控制，并使用圖形用戶(hù)界面(GUI)來(lái)配置所有主要功能(見(jiàn)圖2)。其優(yōu)勢如下：

1，靈活的設計，即使處于生產(chǎn)階段中, 許多主要功能都可以被重新配置，不會(huì )延遲交付, BOM幾乎不需要改動(dòng);

2.超乎所有模擬IC的高效率、高功率因數、快速的響應速度;

3.與模擬控制器相似的成本;

4.去除某些外部組件，如各種設定時(shí)間/頻率的RC，節約BOM成本;

5.內置由IC供應商提供的程序，客戶(hù)可自定義各種不同的配置而不需編程。原廠(chǎng)對所有客戶(hù)不論規模大小,都會(huì )根據不同程序配置, 定位一個(gè)或多個(gè)特殊的料號。

我們設計了一種使用這種數字芯片的PFC+LLC組合控制器，該芯片的性能符合高端PC電源市場(chǎng)認證，例如Energy Using Product(EuP)指令 Lot6和Code of Conduct第五版Tier2。這是通過(guò)在無(wú)負載情況下提供小于150mW的輸入功率和在250mW載荷下提供小于500mW的輸入功率條件下實(shí)現的。為了滿(mǎn)足80 Plus 鈦金準則，在20?100%負荷和VIN=230VIN的情況下，功率因數也必須高于0.95(見(jiàn)圖3和圖4)。

除了高端個(gè)人計算機，其他AC / DC應用也可以受益于該IC，使得系統性能得到提升，如電視機、游戲機、手提電腦、LED街燈、服務(wù)器、電池充電器等等。未來(lái)除了PFC+LLC的組合IC, MPS還會(huì )推出一個(gè)獨立的數字PFC IC, 可與flyback IC共同工作。

圖1數字PFC+LLC組合設計示意圖

圖2數字PFC的主要圖形用戶(hù)界面

圖3與80 Plus鉑金準則相比，240W EVB的效率

圖4采用獲得專(zhuān)利的PFC補償法，輕載下功率因數的改善

組合控制器的PFC部分的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括：

·已獲得專(zhuān)利的CCM/DCM數字平均電流控制模式，以提升整體效率和最小化系統尺寸;

·已獲得專(zhuān)利的可配置輸入電容補償，以提高低負載和高輸入電壓情況下的功率因數;

·在連續導電模式下頻率抖動(dòng)技術(shù)，改善EMI;

·已獲得專(zhuān)利的智能X電容放電器，以提升效率。

組合控制器的LLC部分的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括：

·600V驅動(dòng)器：集成自舉二極管和高dV/dt抗擾性;

·50%的占空比下，可變頻率諧振控制器;

·自適應死區時(shí)間可提供最佳效率;

·自動(dòng)容性保護。

組合控制器作為整體系統的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括：

·高壓電流源啟動(dòng) (HR1200) 或外部電源啟動(dòng)(HR1201);

·Po=0W時(shí)，PIN