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如何选择最优的190 W纤薄PFC电源段方案?

时间:09-03 来源:互联网 点击:

  大多数功率因数校正(PFC)电源段采用临界导电模式(CrM)工作,这种模式控制电感电流从零跃升至期望的峰值电平,然后又降至零。由于这种模式依赖于电流周期的时长,故开关频率以交流线路电流需求的函数形式变化。不利的是,功率需求较低时,从交流线路流入的电流较小,开关频率“飙升”。这样一来,采用大电感就是将开关损耗和干扰降到可接受水平的唯一方式。

  频率钳位临界导电模式(FCCrM)是安森美半导体NCP1606或NCP1631等控制器嵌入的一种技术。采用这种模式工作时,在高负载条件下,功率因数校正段以CrM工作,但在中等负载/轻载条件下( ),限制开关频率以提升能效。与传统CrM电路相比,FCCrM支持使用更小的电感(见参考资料[1])。实际上,交错式FCCrM PFC似乎进一步缩减了磁性元件的尺寸及成本。这些优势在190 W低高度电源中得以展现。

  本文在参考资料[1]所示文章基础上进一步推进研究,在相同的190 W宽主电源输入范围、最大厚度13 mm的应用中探究总体PFC成本问题。

  电感考虑事项表1重提了参考资料[1]的主要结论。由于FCCrM钳位开关频率,就不需要大电感来拉低CrM开关频率范围。因此,FCCrM大幅减小PFC段电感尺寸,采用交错式FCCrM方案时尤为如此。事实上,如表1所述,可以选择下述磁性元件用于190 W(输入功率)、宽主电源范围、最大厚度13 mm的电视应用:

  ?CrM方案:两个EFD30串联

  ?FCCrM方案:单个EFD30

  ?交错式FCCrM方案:两个EFD20(每个支路一个)

  横向比较

  下一步,为了比较不同方案,我们以300 W的46英寸液晶电视电源参考板(见参考资料[2])作实验来比较这三种PFC方案。此参考板由安森美半导体开发,嵌入了由NCP1631(见参考资料[3])驱动的FCCrM交错式PFC。我们利用这电路板来比较我们190 W应用的三种方案。由于本应用中集成的电感与表1中定义的电感不同(本应用中原线圈尺寸针对的是300 W功率),首要修改此应用,确保能够使用2个EFD20元件。第二步, 动态地调节电路,测试CrM和FCCrM单相方案。就每项测试而言,PFC段的设计要使得三种方案的能效保持在接近相同的水平。

  在图1中,我们可以看到采用调整后的交错式配置的电路板,这可从两个“飞跨”(flying)电感得到证实;图2显示的则是如何应用CrM控制器(即NCP1607,见参考资料[4]),而非原有的NCP1631交错式驱动器。

  各种方案参数对比

  不同的方案中,电感并不必然是唯一需要修改的元件。PFC段必须根据所测试的方案来调整。表2小结了构建这三种方案使用的经过了实际测试验证的主要设计指引。

  交错式PFC包含两个支路,每个支路各传输总功率的50%。因此,这种方案采用的元器件数量更多,但尺寸更小。为了简单起见,这里就不具体的交错式设计准则。但如参考资料[5]中所详细介绍的,交错式技术能够优化下列元器件:

  -功率MOSFET:在每个支路,MOSFET均方根(rms)电流仅为单相CrM或FCCrM PFC段中使用的11 A MOSFET的电流的一半。两颗5 A MOSFET替代了11 A MOSFET。

  -升压二极管:同样,每个支路的升压二极管传输的电流是总电流的一半。因此,各个支路就有可能使用较小的MUR160。

  -大电容:交错式方案迫使两个支路异相(out-of-phase)工作,旨在大幅降低大电容的均方根电流(降至0.8 A而非1.3 A)。这样,就可能使用2个39 μF/450 V电容,而非3个。

  -电磁干扰(EMI)滤波器:交错式方案也削弱了电流纹波。例如,根据参考资料[5]所示,在典型宽主电源电压应用中,峰值到峰值纹波在0至60%之间变化。减小的纹波简化了差模滤波。如图3所示,交错式PFC采用了10 μH电感来通过EN55022规范,而单相CrM(或FCCrM) PFC要求使用50 μH差模线圈。

FCCrM与CrM单相方案采用几乎相同的功率元器件,因为它们在重负载条件下采用相同方式工作,器件的参数也是针对重负载条件工作而选定的。但如前所述,FCCrM方案中使用的电感尺寸更小。(单FCCrM方案段中)使用了单个200 μH EFD30线圈,而非两个串联的200 μH EFD30线圈。显而易见的是,控制器也变了。CrM方案采用NCP1607驱动(见参考资料[4])。为了方便起见,没有使 用特别控制器来测试FCCrM单相方案,相反,我们复用了参考板中使用的NCP1631交错式FCCrM控制器,只是简单地关闭驱动第二个支路的输出,从而获得单相FCCrM工作。

小结

表3小结了三种方案的设计差别,其中根据所选择的方案列举了可能选择的主要元器件,其中包括控制器(单相方案中采用了专用FCCrM控制器NCP1605而非NCP1631)。根据这些设计差别推算成本优劣势,可以看出交错式方案是性价比最高的方案。单相FCCrM是成本第二低的方案,而传统CrM方案成本最高!如果

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