【導讀】離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 是根據終端負載將電網(wǎng)電源轉換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常，這種開(kāi)關(guān)電源包含兩個(gè)轉換級，為了實(shí)現更高的效率，需要采用性能更好的電源開(kāi)關(guān)或實(shí)施不同的控制策略。此外，根據具體情況選擇更合適的拓撲也很重要。本系統方案指南將介紹有關(guān)離線(xiàn) 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(diǎn)介紹系統用途、系統實(shí)現、系統描述、市場(chǎng)信息和趨勢。
離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 是根據終端負載將電網(wǎng)電源轉換為直流電源的經(jīng)典產(chǎn)品。通常，這種開(kāi)關(guān)電源包含兩個(gè)轉換級，為了實(shí)現更高的效率，需要采用性能更好的電源開(kāi)關(guān)或實(shí)施不同的控制策略。此外，根據具體情況選擇更合適的拓撲也很重要。本系統方案指南將介紹有關(guān)離線(xiàn) 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(diǎn)介紹系統用途、系統實(shí)現、系統描述、市場(chǎng)信息和趨勢。
系統用途
自上個(gè)世紀以來(lái)，離線(xiàn) SMPS 一直備受矚目，相關(guān)研究層見(jiàn)迭出，并廣泛應用在日常生活的方方面面。離線(xiàn) SMPS 一般是指帶有隔離變壓器并由電網(wǎng)供電的開(kāi)關(guān)電源，適用范圍涵蓋 從65W 的筆記本電腦電池充電器，到數千瓦的數據中心服務(wù)器電源裝置。
寬禁帶半導體產(chǎn)品層出不窮，這讓廠(chǎng)商可以根據實(shí)際情況自行采用新的拓撲來(lái)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安全性、降低功耗并改善性能。
為了實(shí)現全球“零碳”目標，SMPS 必須滿(mǎn)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(jìn)節能減排，歐盟執行委員會(huì )新發(fā)布的 CoC V5 和美國能源部的 DoE VI 對滿(mǎn)載和輕載/空載時(shí)的功率損耗與效率提出了明確的要求。
系統實(shí)現
3kw 圖騰柱 PFC＋LLC PSU 參考設計
典型的離線(xiàn) SMPS
系統描述
1. 標準
目前主要有三類(lèi)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(guò)規定從第 2 次諧波到 40 次諧波的諧波電流最大值來(lái)限制電源電壓失真。這個(gè)標準適用于額定電流不超過(guò) 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(jìn)節能減排，世界各地都制定了相關(guān)的法規標準，例如美國加州能源委員會(huì )制定的法規、能源之星認證以及歐盟的節能相關(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(shí)歐洲委員會(huì )的科學(xué)和知識服務(wù)機構“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(dòng)在 20% 至 100% 負載條件下實(shí)現 80% 或更高的效率，并在 100% 負載條件下實(shí)現 0.9 或更高的功率因數，其最高等級（即“80+ 鈦金”標準）規定，在 20% 負載時(shí)效率至少要達到 92%，在 100% 負載時(shí)效率至少要達到 94%。
PFC（功率因數校正）是離線(xiàn)電源的關(guān)鍵組成部分。PFC 的主要任務(wù)是對輸入電流進(jìn)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(shí)際功率，而后者能夠減少與配電、發(fā)電及過(guò)程中重要設備相關(guān)的損耗和成本。THD（總諧波失真）是確定系統中線(xiàn)路電流質(zhì)量的重要方法，經(jīng)常作為功率因數的替代指標來(lái)使用。PFC 級的另一個(gè)重要價(jià)值在于能提供穩定的直流輸出電壓，這樣便能為后續的隔離式 DC-DC 轉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(guò)隔離變壓器和 PWM 或諧振轉換器，將一定范圍的輸入電壓轉換為所需的直流輸出電壓和電流。DC-DC 級的關(guān)鍵挑戰在于磁元件的設計。例如，趨膚效應和鄰近效應會(huì )導致高頻變壓器出現渦流，影響磁芯材料的選擇，引起磁芯損耗和銅損等。
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(huì )影響整個(gè)系統的設計。CCM（連續導通模式）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(huì )在升壓二極管導通時(shí)接通。所以我們需使用低 trr 二極管來(lái)避免 MOSFET 導通時(shí)產(chǎn)生過(guò)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(huì )在達到零后開(kāi)始下一個(gè)周期，并且頻率會(huì )隨線(xiàn)路電壓和負載條件的變化而變化。CrM 的一大優(yōu)點(diǎn)在于電流環(huán)路本質(zhì)上比較穩定且不需要斜坡補償。此外，電感電流在每個(gè)周期都會(huì )降至零，所以關(guān)斷時(shí)二極管不會(huì )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(huì )有損性能。同樣，MOSFET 可以在低電壓下導通，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。
通常在系統處于輕載時(shí)，CrM/CCM切換到DCM（斷續導通模式），以確保較高的功率因數，并抑制因頻率在過(guò)零點(diǎn)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(kāi)關(guān)頻率擴展。當轉換器在輕載和/或線(xiàn)路電壓過(guò)零點(diǎn)附近運行時(shí)，最大頻率箝位會(huì )強制系統切換到 DCM。如果不采用這樣的電路，CrM 開(kāi)關(guān)頻率將超過(guò)箝位上限，導致開(kāi)關(guān)損耗增加。此時(shí)還需添加一個(gè)電路來(lái)補償 DCM 產(chǎn)生的死區時(shí)間，使線(xiàn)路電流保持正確的波形。
市場(chǎng)信息和趨勢
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，可以讓新系統提高頻率并縮小 PCB 尺寸，甚至無(wú)需散熱片或進(jìn)行強制散熱。但高頻率可能會(huì )帶來(lái)輻射、過(guò)沖等潛在問(wèn)題，所以我們必須研發(fā)新的設計。
2. 集成
可以節省 PCB 空間并減少外部無(wú)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(mén)選擇，可大幅減小最終產(chǎn)品的尺寸。在 dv/dt 可能超過(guò) 100V/ns 時(shí)，我們需要減小寄生電感。將 GaN HEMT 和驅動(dòng)器集成在同一封裝中可以降低引線(xiàn)和 PCB 引起的電感，從而獲得更好的開(kāi)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(kāi)關(guān)范圍、整個(gè)負載變化過(guò)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(zhù)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(gè)重要因素。
文章來(lái)源：安森美
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