Электроника
Многофазность позволяет покорить новые высоты
Однако следует отметить, что время от времени появляются новые идеи, существенно изменяющие положение дел в области источников питания.
Глобальная потребность в снижении общей стоимости системы и стремление к получению более тонких микросхем привели к появлению многофазной коррекции коэффициента мощности (ККМ) - одному из последних крупных достижений в отрасли. Мива, Оттен и Шлехт [1] еще в 1992 году обсуждали концепцию многофазной ККМ. Управление многофазной ККМ, реализованное на одной микросхеме, стало реальностью в 2007-м, а в настоящее время эта технология радикально меняет облик некоторых видов конечного продукта, в первую очередь, цифровых телевизоров. Авторы рассматривают вопрос о необходимости ККМ и обзор последних новостей в области новейших разработок. Статья будет особенно полезна для инженеров, перед которыми стоят сложные задачи по проектированию при ограниченном бюджете, а также для тех, кто хотет узнать больше об этой новой тенденции.
Типовая схема ККМ
Она представляет собой вольтодобавочный переключающий регулятор с управляющей цепью. Типовая схема ККМ поддерживает величину входного тока пропорционально мгновенному линейному напряжению, одновременно регулируя выходное напряжение (рис. 1).
Контур обратной связи с пропускной способностью приблизительно 10 кГц служит для регулирования тока. Он плавно регулирует средний входной ток пропорционально входному напряжению для того, чтобы коэффициент мощности был очень высоким, а гармонические колебания сведены к минимуму. Пропускная способность контура регулирования напряжения существенно меньше 60 Гц, так что он не создает помех контуру регулирования тока. Часто в контур регулирования напряжения добавляются нелинейные элементы обратной связи для улучшения отклика на большие скачки входных и выходных параметров.
Для больших нагрузочных токов вольтодобавочные переключающие регуляторы поддерживают непрерывный ток индуктора обычно на уровне 60% от пульсирующей компоненты тока. Малая пульсирующая компонента тока может обеспечить преимущества, поскольку ее легче ослабить входным фильтром электромагнитных помех. Для меньших нагрузочных токов пульсирующая компонента тока способна возрастать до 200%. Входной ток может даже становиться прерывистым, пока контур регулирования тока управляет средним входным током.
Другой практический способ поддерживать входной ток пропорционально входному напряжению состоит в использовании преобразователя с "переходным режимом" при регулируемом времени включения, которое остается постоянным на протяжении всего цикла линейного напряжения. Переходный режим или "режим критической проводимости" означает, что преобразователь запускает новый цикл коммутации каждый раз, когда входной ток спадает до нуля. Иными словами, это граница между режимом непрерывной и прерывистой проводимости. По определению, величина пульсирующей компоненты тока в переходном режиме составляет 200%.
Когда вольтодобавочный переключающий регулятор переходного режима работает с фиксированным временем включения, то средний входной ток по определению пропорционален входному напряжению. Для любого цикла переключения пиковый ток равен lpeak=Vin*Ton/L, а ток впадины - нулю. Следовательно, средний входной ток равен половине величины пикового тока: laverage=Vin*Ton/(2*L). Поскольку индуктивность и время включенного состояния - постоянные величины, то средний входной ток прямо пропорционален входному напряжению.
Переходный режим с фиксированным временем включенного состояния имеет ряд преимуществ, например не требуется обратная связь по току. Таким образом, при токовом считывании снижаются потери мощности. Другое преимущество заключается в том, что преобразователь невосприимчив к ошибкам в схеме токового считывания. Третье преимущество состоит в том, что он всегда запускает новый цикл коммутации с нулевым выходным током, и это минимизирует потери в связи с диодной коммутацией. Преобразователи с переходным режимом могут эффективно работать на недорогих кремниевых диодах, которые имеют не слишком высокое быстродействие коммутации. Если взять для сравнения схемы с непрерывным током, то последние часто требуют дорогостоящих карбидокремниевых диодов для обеспечения высокой эффективности.
На рис. 2 приведена схема корректора коэффициента мощности с фиксированным временем включенного состояния, собранного на недорогой 8-контактной интегральной схеме (ИС), для управления переходным режимом. Здесь применяется токоизмерительный резистор для определения нештатных ситуаций отсутствия тока и перегрузки по току, но во всех остальных случаях от точности токового считывания ничего не зависит. При использовании этой ИС ток ограничен величиной напряжения на токоизмеритель-ном резисторе, не превышающей 425 мВ. Если сравнивать с типичными схемами для управления коэффициентом мощности, в которых применяется обратная связь по току, то в них ограничение сигналов по току соответствует напряжению от 1 до 2В, что существенно увеличивает потери мощности на токоизмерительном резисторе.
В чем преимущества многофазности?
Все импульсные источники питания передают некоторую часть энергии коммутации на линию электропитания через пульсирующую компоненту тока. Она может быть больше, как в случае ККМ с переходным режимом (величина пульсирующей компоненты-200%), или меньше, как в случае ККМ с режимом непрерывного тока (величина пульсирующей компоненты - 60%). Хотя при этом происходит улучшение на 10 дБ, такой результат достигается за счет вольтодобавочного индуктора большей величины. Независимо от выбранного подхода необходим фильтр электромагнитных помех в той или иной форме.
Если мы соберем две идентичные схемы ККМ, каждая из которых будет работать со сдвигом по фазе 180°, то комбинированная пульсирующая двухступенчатая компонента тока окажется значительно меньше, чем пульсирующая компонента для единственного каскада при той же полной мощности. Таким образом, можно будет использовать существенно меньший входной фильтр электромагнитных помех. При работе двух каскадов с продолжительностью рабочего цикла в точности 50% пульсирующая компонента уменьшается до нуля! При различной продолжительности рабочих циклов ослабление пульсирующей компоненты будет меньше, но все же останется весьма существенным. Работа двух идентичных каскадов со сдвигом по фазе 180° называется чередованием фаз, что на практике обеспечивается благодаря современным схемам с высокой степенью интеграции. На рис. 3 представлено уменьшение пульсирующей компоненты тока, достигаемое за счет чередования фаз двух силовых каскадов для различной продолжительности рабочих циклов.
Преимущество многофазности состоит в уменьшении пульсирующей компоненты выходного тока. Это позволяет использовать меньший выходной конденсатор или иметь меньшую токовую нагрузку при прежнем выборе конденсатора, что приводит к увеличению срока эксплуатации и более высокой надежности. Другое преимущество состоит в том, что можно использовать два меньших компонента вместо одного большого. К таким компонентам относятся вольтодобавочный индуктор, мощный полевой МОП-транзистор и силовой диод. Меньшие размеры этих компонентов позволяют получить более распределенную топологию печатной платы, что обеспечивает лучшее рассеяние тепла различными мощными компонентами и более низкий профиль систем питания.
Многофазность также позволяет получить более высокую мощность, чем это практически достижимо при однофазной архитектуре. Для двух уже существующих однофазных схем ККМ мощностью 250 Вт можно легко реализовать чередование фаз, быстро разработав на основе тех же компонентов схему ККМ мощностью 500 Вт.
Типовая схема ККМ с режимом непрерывной проводимости
На рис. 4 представлен законченный корректор коэффициента мощности с режимом непрерывного тока, собранный на UCC28070 - ИС контроллера многофазной ККМ. Этот контроллер с фиксированной частотой включает в себя все управляющие цепи, необходимые для двухкаскадной схемы многофазной ККМ, а также для перестройки частоты.
В этой схеме ККМ для контроля тока стока мощного полевого МОП-транзистора используются два трансформатора токового считывания Т1 и Т2. Они формируют сигнал, представляющий собой величину тока при включенном мощном МОП-транзисторе. Ток индуктора в течение остальной части цикла коммутации воссоздается интегральной схемой на основе входного и выходного напряжения. При такой технологии формирования тока для этого используются лишь два трансформатора тока вместо четырех, что снижает общую стоимость системы.
ИС регулирует ток в каждом индукторе с помощью двух независимых быстрых контуров обратной связи по среднему значению тока. Общий медленный контур обратной связи по напряжению используется совместно обоими токовыми контурами. Таким образом, они оба имеют одинаковый опорный ток и обеспечивается баланс токов между двумя каналами.
Эта схема ККМ работает с частотой коммутации, задаваемой сопротивлением RRT. Если требуется источник питания с очень высокой плотностью энергии, то данная схема может работать со скоростями коммутации до 300 кГц или выше, позволяя использовать индукторы очень малой величины. Однако для достижения более высокого коэффициента полезного действия рекомендуется осуществлять переключение с частотой <75 кГц. Перестройка частоты, дополнительно снижающая уровень электромагнитных помех шумового характера, также реализуется и программируется конденсатором CCDR и сопротивлением RRDM. Наибольшая продолжительность рабочего цикла устанавливается сопротивлением RDMAX. Плавный пуск программируется конденсатором Css. Эта схема работает в непрерывном или в прерывистом режимах в зависимости от величины тока нагрузки. Поэтому в качестве диодов D1 и D2 рекомендуются быстродействующие карбидокремниевые диоды.
Емкость выходного конденсатора Соит следует выбирать таким образом, чтобы расположенный после него преобразователь мог работать при наибольшей предполагаемой продолжительности кратковременных перебоев в работе линии электропитания. Обычно требуется входной фильтр электромагнитных помех, хотя здесь он и не представлен.
Типовая схема ККМ с переходным режимом
На рис. 5 представлен законченный корректор коэффициента мощности с переходным режимом, собранный на микросхеме UCC28060 - первой в отрасли ИС контроллера многофазной ККМ. В данной схеме используются преимущества частотной модуляции, характерные для управления в переходном режиме. В нем расширяется спектр электромагнитных помех и снижается требуемый уровень фильтрации электромагнитных помех. В интегральной схеме UCC28060 также реализовано управление фазами - очень действенный метод повышения суммарного коэффициента полезного действия за счет переключения между двухфазным режимом работы при большой нагрузке и однофазным режимом при малой нагрузке. Преимущество интегральной схемы UCC28060 состоит в возможности использования недорогих диодов и индукторов меньшей величины.
Рис. 1. Типовая архитектура корректора коэффициента мощности
Индукторы L1 и L2 имеют вторичную обмотку для считывания тока, чтобы запускать новый цикл коммутации при нулевом токе индуктора. Резисторы RZA и RZB в сочетании с конденсаторами CF4 и CF5 устраняют шумовую компоненту сигнала. Они также обеспечивают кратковременную задержку, позволяющую стоку полевого МОП-транзистора вернуться к своему нижнему уровню. Такое преобразованное переключение при нулевом напряжении не является совершенным, но все же способно повысить коэффициент полезного действия за счет минимизации потерь энергии, разряжая емкость стока мощного полевого МОП-транзистора при его включении.
Рис. 2. Типовой корректор коэффициента мощности с переходным режимом и фиксированным временем включенного состояния
В этом преобразователе используется управление с фиксированным временем включенного состояния для получения высокого коэффициента мощности, поскольку токи отдельного мощного полевого МОП-транзистора не измеряются. Единственный общий токоизмерительный резистор RS используется для предотвращения коммутации при броске тока во время включения, а также для остановки коммутации в маловероятном случае перегрузки по току.
Рис. З. Зависимость пульсирующей компоненты тока от продолжительности включения для двух силовых каскадов с чередованием фаз
Импульсные преобразователи с постоянной нагрузкой имеют отрицательный входной импеданс при низких частотах. Иными словами, по мере роста входного напряжения обратная связь по напряжению уменьшает входной ток, чтобы поддерживалось постоянное выходное напряжение. Это может стать причиной нестабильной работы фильтра электромагнитных помех. Чтобы свести к минимуму этот риск и способствовать уменьшению входных электромагнитных помех, рекомендуется использование небольшого высоковольтного конденсатора C|N на выходе мостикового выпрямителя. Для преобразователя мощностью 300 Вт может оказаться достаточным конденсатор емкостью 1 мкФ. Меньшая емкость конденсатора позволит снизить стоимость и поддерживать высокий коэффициент мощности в линии.
Данный преобразователь использует два независимых тракта для измерения выходного напряжения. В одном из них выходное напряжение считывается с использованием контактного вывода VSENSE, а также делителя Rc и RD. Эта схема считывания применяется для регулирования выходного напряжения и отключения преобразователя в случае превышения выходного напряжения. Второй тракт использует контактный вывод HVSEN, а также делитель RE и RF. Во втором тракте в целях безопасности реализовано считывание избыточного напряжения с дублированием. Также в нем считывается выходное напряжение, которое должно быть переключено на нагрузку. На логическом выходе PWMCNTL определен низкий уровень сигнала, когда выходное напряжение достаточно высоко для функционирования. Выход PWMCNTL не определен (переходит в состояние с высоким импедансом), когда выходное напряжение падает ниже порога выключения либо при отказе в одном из силовых каскадов.
Работа при малой нагрузке
Преобразователи разрабатываются с учетом многих эксплуатационных показателей при полной нагрузке: пиковый коэффициент полезного действия, безопасная рабочая температура, надежность функционирования компонентов, а также способность функционировать при кратковременных перебоях в линии электропитания и др. Однако показатели производительности при малой нагрузке также важны. Такие стандарты, как Blue Angel и Energy Plus, определяют нормативные требования к коэффициенту полезного действия при полной и малой нагрузках.
Рис. 4. Типовая схема многофазной ККМ с режимом непрерывного тока
На рис. 6 сравнивается коэффициент полезного действия типичного многофазного корректора коэффициента мощности, работающего в однофазном и в двухфазном режимах. Хотя чередование фаз обеспечивает превосходный коэффициент полезного действия и надежность при полной нагрузке, КПД при малой нагрузке выше в случае однофазной коммутации. Причина состоит в том, что энергия, потребляемая при отклике емкости стока, начинает преобладать при малой нагрузке.
Многофазный корректор коэффициента мощности, предназначенный для практического применения, должен переключаться в однофазный режим работы при малой нагрузке. Оптимальная точка пересечения является функцией линейного напряжения и других проектных параметров. Чтобы обеспечить соблюдение требований как стандарта Blue Angel, так и других подобных стандартов, наиболее выгодно переключаться в однофазный режим перед тем, как величина нагрузки достигнет 20 %.
Рис. 5. Типовая схема многофазной ККМ с переходным режимом
При отсутствии нагрузки стандарты требуют обеспечить чрезвычайно малое потребление мощности в статическом режиме. Тогда как современный стандарт Energy Star допускает не более 0,5 Вт, будущие стандарты потребуют менее 0,3 Вт, причем ожидается появление еще более жестких стандартов. Чтобы обеспечить такое сверхнизкое потребление мощности, наиболее практичным решением будет полное отключение вольтодобавочного корректора коэффициента мощности и запуск находящегося далее в цепи блока ШИМ от линии электропитания, по которой подается выпрямленный ток без добавочного напряжения.
Микросхема UCC28060 многофазного корректора коэффициента мощности с переходным режимом (рис. 5) содержит цепи для управления фазами, производящими переключение между двухфазным и однофазным режимами и состоянием отключения, в зависимости от нагрузки.
Минимизация акустического шума
Конденсаторы, индукторы, радиаторы и экраны могут вибрировать с акустической частотой из-за сигналов от импульсного преобразователя. Импульсные преобразователи работают на частотах выше 20 кГц, но условия в линии и нагрузке могут возбуждать акустические вибрации.
Один из примеров - переходный режим от полной к малой нагрузке. Хотя выходной конденсатор и ослабляет воздействие скачкообразного изменения нагрузки на преобразователь, он сам должен изменять время включенного состояния или продолжительность рабочего цикла в больших пределах, чтобы регулировать выходное напряжение. При этом контур регулирования напряжения должен быть медленным, чтобы обеспечивать хорошее значение коэффициента мощности.
Рис. 6. Диаграмма сравнения коэффициента полезного действия для однофазных и двухфазных преобразователей мощности (при работе в однофазном режиме с малой нагрузкой КПД выше на 5%)
В рассматриваемом примере некоторый бросок выходного напряжения неизбежен. Если он слишком велик, то выходной конденсатор или следующий за ним преобразователь мощности могут быть повреждены. Поэтому такие ИС ККМ, как UCC28060, содержат усилители сигнала рассогласования с быстрым нелинейным откликом на очень сильные броски напряжения. При некоторых ступенчатых изменениях нагрузки это быстро возвращает выходные параметры в регулируемое состояние. Однако при худших вариантах скачкообразных изменений эти быстродействующие нелинейные контуры не смогут реагировать достаточно быстро, вследствие чего сработает защита от превышения выходного напряжения, отключающая преобразователь. Он запустится снова, когда выходное напряжение упадет ниже минимальной пороговой величины превышения напряжения. Это может привести кряду низкочастотных циклов, когда после возникновения сильного броска выходного напряжения происходит уменьшение нагрузки до нуля, прежде чем контур вернется в регулируемое состояние.
Такие низкочастотные циклы могут производить заметный шум или иные нежелательные эффекты. Для устранения данной проблемы некоторые ИС ККМ, например UCC28061, медленно отключаются и снова запускаются, реагируя на сильные выбросы напряжения. Устройство UCC28061 во многом схоже с UCC28060, но оптимизировано для систем с очень широким диапазоном нагрузок.
Заключение
Наступила эра многофазной коррекции коэффициента мощности, означающая и новые достижения в области разработки источников питания во всем мире. Теперь стало возможным достижение более высокой эффективности при меньшем размере и при той же или меньшей общей стоимости системы. Такова общая тенденция развития, и она заслуживает должного внимания!
Спецификации, бесплатные образцы и/или оценочные модули доступны на сайте www.ti.com/pfc.
Литература:
1. Miwa, B. A., Otten, D. M., Schlecht, M. E., High efficiency power factor correction using interleaving techniques, APEC '92. Материалы конференции, 1992. -С. 557-568; Идентификатор цифровых объектов (DOI) 10.1109/ APEC.1992.228361.
Об авторах
Боб Нейдорф является специалистом по проектированию ИС и сотрудником отдела высокопроизводительных аналоговых устройств компании Texas Instruments. Более 30 лет он занимается проектированием и руководит разработкой широкого ряда силовых и аналоговых схем.
Томас Льюис работает менеджером по продуктам для управления электропитанием в компании Texas Instruments. Он отвечает за определение перспективных планов по продукции в области ККМ, ШИМ и МОП-драйверов для потребительского сектора. Ранее Томас работал в городе Мосбург, (Германия), выполняя обязанности менеджера по развитию бизнеса в области стандартных линейных и логических микросхем в штате подразделения по продажам в Европе.
Комментарии
-
This is both street smart and intlelignet.