离线开关电源 (SMPS) 系统设计保姆级教程分享

描述

离线开关电源 (SMPS) 是根据终端负载将电网电源转换为直流电源的经典产品。通常,这种开关电源包含两个转换级,为了实现更高的效率,需要采用性能更好的电源开关或实施不同的控制策略。此外,根据具体情况选择更合适的拓扑也很重要。本系统方案指南将介绍有关离线 SMPS 的基础知识,以及安森美 (onsemi)的精选产品和解决方案。本文为第一部分,将重点介绍系统用途、系统实现、系统描述、市场信息和趋势。  

 系统用途    

自上个世纪以来,离线 SMPS 一直备受瞩目,相关研究层见迭出,并广泛应用在日常生活的方方面面。离线 SMPS 一般是指带有隔离变压器并由电网供电的开关电源,适用范围涵盖 从65W 的笔记本电脑电池充电器,到数千瓦的数据中心服务器电源装置。

宽禁带半导体产品层出不穷,这让厂商可以根据实际情况自行采用新的拓扑来优化效率、尺寸和集成水平。新设计的控制器还有助于提高系统安全性、降低功耗并改善性能。

为了实现全球“零碳”目标,SMPS 必须满足更严格的效率标准,尽可能地降低能源消耗和碳排放。例如,为促进节能减排,欧盟执行委员会新发布的 CoC V5 和美国能源部的 DoE VI 对满载和轻载/空载时的功率损耗与效率提出了明确的要求。

 系统实现    

隔离变压器

3kw 图腾柱 PFC+LLC PSU 参考设计

隔离变压器

典型的离线 SMPS

系统描述    

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标准

目前主要有三类标准,其中包括安全标准和辐射标准。目前最新修订的 IEC 62368-1 第二版就属于安全标准,其中明确了绝缘、隔离、电气间隙、爬电距离等概念的定义。而 IEC 61000-3-2 则是一项国际辐射标准,通过规定从第 2 次谐波到 40 次谐波的谐波电流最大值来限制电源电压失真。这个标准适用于额定电流不超过 16A 的设备,额定电流大于 16A 的设备应遵循 IEC 61000-3-12。

为了促进节能减排,世界各地都制定了相关的法规标准,例如美国加州能源委员会制定的法规、能源之星认证以及欧盟的节能相关产品 (ErP) 指令等。美国能源部 (DoE) 针对壁挂式或桌面式外部电源发布了一套分级标准,其中 Level VI 是最新且最严格的标准;同时欧洲委员会的科学和知识服务机构“联合研究中心”制定了一套欧盟外部电源供应器 (EPS) 行为准则 (CoC)。

此外还有 80 PLUS 计划,该计划致力于推动在 20% 至 100% 负载条件下实现 80% 或更高的效率,并在 100% 负载条件下实现 0.9 或更高的功率因数,其最高等级(即“80+ 钛金”标准)规定,在 20% 负载时效率至少要达到 92%,在 100% 负载时效率至少要达到 94%。

功率因数校正

PFC(功率因数校正)是离线电源的关键组成部分。PFC 的主要任务是对输入电流进行整形并降低高频谐波电流,前者可以提高从主电源获取的实际功率,而后者能够减少与配电、发电及过程中重要设备相关的损耗和成本。THD(总谐波失真)是确定系统中线路电流质量的重要方法,经常作为功率因数的替代指标来使用。PFC 级的另一个重要价值在于能提供稳定的直流输出电压,这样便能为后续的隔离式 DC-DC 转换器提供范围较窄的直流输入,从而优化整体设计。

DC-DC 级

DC-DC 级的作用是通过隔离变压器和 PWM 或谐振转换器,将一定范围的输入电压转换为所需的直流输出电压和电流。DC-DC 级的关键挑战在于磁元件的设计。例如,趋肤效应和邻近效应会导致高频变压器出现涡流,影响磁芯材料的选择,引起磁芯损耗和铜损等。

电流控制模式

这里有必要回顾一下经典工作模式,因为工作模式不仅影响拓扑的选择,还会影响整个系统的设计。CCM(连续导通模式)提供超低的峰值和 rms 电流,因此更多地用于功率水平较高的应用。在 CCM 下,电感电流纹波较小,但 MOSFET 会在升压二极管导通时接通。所以我们需使用低 trr 二极管来避免 MOSFET 导通时产生过大的损耗和应力。CrM(临界导通模式)非常适合低功耗应用。

在此模式下,电感电流会在达到零后开始下一个周期,并且频率会随线路电压和负载条件的变化而变化。CrM 的一大优点在于电流环路本质上比较稳定且不需要斜坡补偿。此外,电感电流在每个周期都会降至零,所以关断时二极管不会产生反向恢复损耗,就算使用较便宜的升压二极管也不会有损性能。同样,MOSFET 可以在低电压下导通,从而降低开关损耗。

通常在系统处于轻载时,CrM/CCM切换到DCM(断续导通模式),以确保较高的功率因数,并抑制因频率在过零点附近大幅升高而产生 EMI。

FCCrM(频率箝位临界导通模式)是安森美提出的一种方法,用于限制 CrM 威廉希尔官方网站 的开关频率扩展。当转换器在轻载和/或线路电压过零点附近运行时,最大频率箝位会强制系统切换到 DCM。如果不采用这样的威廉希尔官方网站 ,CrM 开关频率将超过箝位上限,导致开关损耗增加。此时还需添加一个威廉希尔官方网站 来补偿 DCM 产生的死区时间,使线路电流保持正确的波形。

隔离变压器

市场信息和趋势    

宽禁带半导体

宽禁带器件正在批量化生产,许多公司也随之推出(或即将推出)基于 SiC/GaN 的 SMPS。SiC/GaN 材料兼具反向恢复性能优异、热性能出色、工作电压及温度较高等诸多优势特性,可以让新系统提高频率并缩小 PCB 尺寸,甚至无需散热片或进行强制散热。但高频率可能会带来辐射、过冲等潜在问题,所以我们必须研发新的设计。

集成

可以节省 PCB 空间并减少外部无源元件,从而能够提高功率密度和安装灵活性。例如,GaN HEMT 是中低功率电源(Pout<1500W)的热门选择,可大幅减小最终产品的尺寸。在 dv/dt 可能超过 100V/ns 时,我们需要减小寄生电感。将 GaN HEMT 和驱动器集成在同一封装中可以降低引线和 PCB 引起的电感,从而获得更好的开关性能。

新拓扑可提高效率

图腾柱PFC 降低由整流桥造成的损耗,因而在高功率密度产品中,它是比单升压更好的 PFC 拓扑。如今,LLC 凭借更宽的软开关范围、整个负载变化过程中较窄的频率范围以及较小的循环电流,成为中高功率应用的优选 DC-DC 拓扑。宽禁带半导体在这些新拓扑中发挥着关键作用,而智能低功耗控制器是关乎高效率的另一个重要因素。



审核编辑:刘清

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