TI PFC+LLC 解决方案在工业电源中的应用 1

大家好 我是德州仪器的技术应用工程师 Leo Zhao 今天呢首先感谢大家 能够参加我们本次的直播课堂 那我今天的主题是 PFC 和 LLC 在工业电源中的应用 那在我这个介绍的过程中呢 也欢迎大家能够提出问题 跟我们实时的互动 首先来看一下今天的目录 那主要是分为三部分 那第一块呢我会介绍一下 PFC 和 LLC 我们的一些主推的主打的 这个高性价比的明星产品 就主要包括高功率的 PFC 和我们最新的 LLC 控制器 25630 那在第二部分呢 我会主要介绍在工业应用中 我们 TI 的解决方案 那在第三块呢就是 我们 TI 的网络资源 怎么样通过我们 TI 的官网 能够找到相应的更多的一些 参考设计类似的资源 那首先来看一下 这个是工业电源的基本的架构 一般的架构那首先在第一块呢 就是 AC 输入端一般会有 PFC 控制器 那第二部分就是隔离的直流电源 会把我们的这个 输入的高压直流电源转换成低压输出 在第三部分呢也就是 这一块的话就是非隔离的低压电源 也就是我们通常在 我们的 local 所使用的这个 buck boost 还有 LDO 那首先来看一下第一部分 在 PFC 这一块呢 通常呢由于国家的一些安规的一些标准 需要我们在这个 AC 的输入端 加一个 PFC 控制器来提高 FP 值 那这一块的话一般情况下是在 大于 75 瓦的一些应用场合 需要 PFC 控制器 说简单也简单 为什么要加这个 PFC 这个控制器呢 那简单点来说的话 就是能够使我们的输入电流的这个 信号这个波形 尽量是正弦输入信号 并且和我们的这个输入电压同相位 从而呢提高我们电网的这个 提高电网的这个使用率 并且减少我们的这个电流谐波失真 那在第二部分呢 在这个第二块呢 就是隔离的 DCDC 电源部分 那在这一块呢出于安全考虑 一般是需要在输入电压大于45伏的情况下 48 伏的情况下 需要这个加入隔离的功能 那一般的拓扑的话像我们的反激 还有这个移相全桥 还有有源钳位的正激 有源钳位还有谐振 那在第三块的话就是 我们常见的 buck boost 还有 LDO 那首先呢首先呢我来介绍一下 我们这边的一些主打的明星产品 在高功率的 PFC 这一块 那在这个图里面大家可以看到 在 300W 以下的话 我们是推荐大家使用我们的 TM 也就是临界模式的 PFC 那在这一块呢 刚才我同事思聪也有介绍 我们的主要产品就是 UCC28056 那在往上呢 功率等级再往上呢 在 300 瓦到 1000 瓦的这个 功率等级范围中 我们是推荐使用双向的临界模式的 PFC 像我们的 28063 和 28064 那在更宽的功率等级范围中 那我们就推荐连续模式的 PFC CCM 的 PFC 像我们的 28019 还有我们最新推出的这个 28180 那在高功率等级的情况下呢 我们就推荐是使用更合适的拓扑 就是双向的交错的连续模式的 PFC 在这一块的话 我们主打的产品就是 28070 那在接下来呢 我会主要给大家介绍我们 CCM 在高功率范围中的CCM 的 PFC 和 28180 还有 28070 首先来看一下 28180 那 28180 呢这个 CCM 的 PFC 呢 是 8PIN 的 8PIN 的控制器 它使用起来其实是非常简单 它主要的优点的话就是有以下几点 首先他是支持宽范围的可调的开关频率 从 18K 到 250K 赫兹 那这样的话其实更方便大家 灵活的去选用 IGBT 或者是常见的 MOS 同时呢由于我们这边是 降低了电流感测的阈值 那这块的话也是降低了 电流感测电阻上面的功耗 同时也提高了待机功耗的性能 同时呢我们由于我们这个 28180 内部 有可闻噪声的消除电路 同时也是帮助大家消除了 可闻噪声给大家带来的一些困扰 在这个轻载的这个模式下面 28180 内部会有这个 burst mode 也就是突发模式来保证轻载高效 那 28180 这个片子呢 主要是应用在一些通用的 一百瓦到几千瓦范围内的通用的交流输入 像我们的一些 像我们的大型的服务器电源 还有一些台式电脑电源 还有一些大型的家用电器的电源 其实都是可以关注我们 这个 CCM PFC 28180 这款 IC 那接下来我们来看一下 28070 这款 CCM 的这款交错的 CCM PFC 呢 它是双向的 180 度相位差的 这样两路的架构 那这种架构有什么好处呢 这一块的话由于是有两路的分摊输出功率 那在功率器件这一块 每路功率器件所承受的应力 相应来说就大大减少 并且它的散热性能 散热性能也是比较优异 那反过来说呢 在同样的功率下 如果在大功率的一些等级中 那其实整个这个系统的 整个这个方案的尺寸其实也是大大减小 也是可以 所以这种这种架构呢 也是适应于一些大功率的应用场合 那这一块呢主要是介绍几点优点 由于我们这个内部有量子的 电压前馈的消除方法和内置的算法 所以就省掉了常见的 VFF PIN VFF PIN 主要就是 电压前馈补偿网络的参考管脚 在这一块的话 其实也是通过减掉这个 PIN 呢 PIN 脚的话也是 减少了一些 BOM 器件的数量 同时呢也是我们刚才提到的 由于是交错的 PFC 的架构 也是减小了一些功率器件的尺寸 又由于双向的交错 PFC 这种模式呢 其实也是由于这个输入的这个电压 输入的电流和输出电流的纹波大大减小 其实也是有利于做这个 EMI 消除这一块 包括前级的滤波器设计也会更简单 那这款芯片呢 同时这款芯片它这个开关频率 也是宽范围的开关频率 它其实也是比较适应于 使大家更加灵活的去选用IGBT 或者是 GaN 或者碳化硅的一些开关管 可以看到是从 10K 赫兹到 300K 赫兹 都可以通过外部的编程来选择 那这款芯片就适用于 功率等级更高的一些应用场合 像我们的常见的一些充电桩 或者是一些电动汽车的车载充电器 其实大家如果有相似相应的应用需求 都可以关注一下我们这款 交错的 PFC 控制器 28070 OK 刚才介绍了就是 PFC 这一块 高功率 PFC 那接下来我来重点介绍一下 我们的这个高性价比的 UCC25630 系列这款 LLC 控制器 那这款控制器呢也是我们 TI 在去年新推出的一款 LLC 控制器 那我想大家在 LLC 控制器的设计中 常常会面临一些这样的一些设计挑战 像轻载高效 像容性区域保护 像这个待机功耗 包括整个系统成本 还有就是瞬态响应这块 那 UCC25630 呢 就是很好地去满足了 刚才所提到的这些设计挑战 那首先呢 25630 这款 LLC 控制器 它是使用了业界比较创新的 混合迟滞控制模式 这种迟滞控制模式呢 就大大提高了这个瞬态响应的 负载瞬态响应的这个性能 接下来我会针对这几点特性 展开来进行简单介绍 包括这个待机功耗 包括这个容性区保护的实现 包括这个动态死区时间调整 还有就是 X 电容的放电 那 X 电容放电的话 就是在 AC 输入电压突然断掉的情况下 我们芯片内部会有提供给 X 电容放电回路 这样的话其实也减少了 大家在设计中在 EMI 在 EMI 滤波这一块的 滤波电路中的一些 给 X 电容放电的 IC 和对应的一些器件 并且呢这款控制器 也是支持宽压的宽范围的开关 开关频率 35K 到 1M 赫兹 那接下来我这边会针对 25630 这几点特性来简单地进行介绍 首先来看一下这个混合迟滞控制模式 那像那上面的话 上面这个图就是传统的直接频率控制模式 那这一块的话它就是比较类似于我们 所常见的电压控制模式 所以它是电压环 然后是二级系统 这样的话其实对我们的补偿网络 补偿网络设计来说是非常复杂 也是比较难去设计的 所以说他由于在带宽上面的限制 所以它动态响应呢相对来说也不是很好 那我们这种混合迟滞的控制模式 它是类似于我们常见的电流控制模式 那这一块可以看到 我们这边一方面是从这个 在芯片内部是在输出电压这边 对输出电压进行采集 跟内部的电压基准 然后进行运算 来确定两个门限值 上限和下限这个阈值 同时呢在另外一端呢 我们会有 pin 脚 专门对整个谐振腔 谐振腔内的谐振电流进行采样 通过一个分压电容进行采样 那这一块的采样到的这个谐振电流呢 会跟刚才所说的这两个 门限阈值进行比较 从而输出一个控制信号 来控制上下管的开通 那这样的话是电压电流环的这样架构 其实是一阶系统 那这种一阶系统呢 补偿起来是非常容易的 同时它的动态响应性能是非常的好 我们来看一下这个实测的波形图 那右边的话就是传统的频率控制的波形图 左边的话就是我们的 25630 那这块的话我们是从 零负载到满载的跳变 满载的话就是十几安的跳变 可以看到 25630 它的这个输出电压的波动是在 1.25% 传统的控制模式呢 是达到了超过 20% 的这样波动 可以看到在动态响应这一块 其实是非常优异的动态响应的性能 那这一块的话是给大家举一个例子 那这款那这个 case 呢 是我们在 OLED 的客户里面 实际遇到的 case 那在这一块由于 OLED TV 的 这个 OLED 的电视的一些电源 它对电源的动态响应要求是比较高的 那它是需要在零到满负载的跳变的过程中 输出电压的波动是要小于正负 5% 的 那如果用传统的这种 直接频率控制的 LLC 控制器 那由于它的这个动态响应性能 相对来说是会差一点 那需要在这个输出端加很多假负载 那这些假负载呢 其实带来的功耗呢是达到 1.7 瓦 我们的客户通过使用我们 25630 其实就省掉这些 由于我们 25630 它的这个动态响应性能非常好 其实就省掉了这些假负载 一方面呢是减小了这个 BOM 的器件的数量和成本 另外一方面其实也是提高了这个效率 那刚才提到这个是动态响应的性能 那接下来我们看一下这个 待机功耗这一块 那待机功耗这一块呢 我们芯片内部也是有所优化 那右上角的这个图呢是我们传统的 反馈的信号消耗回路 在芯片内部呢一般的话会有上拉电阻 那上拉电阻的话会给这个 这个光耦这边提供上拉电流 那这一块的话由于这个 上拉电阻上面会带来一定的功耗 那一般情况情况下来说呢 需要这个电阻要求是比较大 那由于这个电阻呢 会跟 FB PIN 脚的寄生电容形成极点 从而影响整个环路的带宽 所以这个上拉电阻呢 它的这个取值也是有限制的 因此也就限制了 它这个待机功耗的这样降低 那在我们这个 25630 这个芯片内部 我们是使用了内部的上拉电流源 来取缔之前的这样上拉电阻的一种方法 那这种上拉电流源呢 外部的光耦呢是通过这个电流源 汲取了一部分电流 另外一部分电流是通过 MOS 管 我们芯片内部的 MOS 管流到下面的电阻 那这个电阻上面的压降就是 FB 的这样的反馈信号 那同时呢我们会通过内部 把这个 MOS 管的钳位到六伏 这样的话在 FB PIN 脚上 就不会有充放电的过程 也是大大降低了这一块所引起的功耗 同时呢我们这种设计的话 也不会对环路造成任何影响 因此呢在待机功耗这一块 大家可以看一下我们这样的实测的对比 对比我们的竞争对手 在整个的输入电压的范围 还有轻载的范围内呢可以看到 25630 可以说是相比竞争对手是节约了 10% 大约是提高了 10% 的静态功耗的这样性能 特别是在低输入电压情况下 那我们来看一下第三个特性 那就是我们的容性区保护 我想大家应该也有所了解 那在 LLC 这一块呢 如果 LLC 控制器进入容性区域 这样的话由于这个 MOS 管 所寄生的体二极管 具有一定的反向恢复时间 有可能进入容性区之后 就会有可能造成上下管的直通 从而导致 MOS 管损伤或者是损毁 那这种情况其实在 也是大家在设计过程中是比较头痛的 那在这里呢 25630 内部 是使用自动检测谐振电流极性的 这样的一种方法 那在上管开通的时候 谐振电流理论上是应该是正向的 在下管开通的时候 谐振电流理论上来说应该是负向的 这样才能保证它在感性区域 而不进入容性区域 那在这一块的话 我们内部会有专门的 我们这个 IC 会有专门的pin脚来检测 来在这个上下管开通或者关断的时候 检测谐振电流的极性 那可以看到在上管关断的时候 那我们会在这个地方这个位置 进行电流极性的检测 那在这一块呢在下管关断的时候 这边是举例子 就是我们芯片内部 一旦检测到了这个谐振电流的极性 那这块是正向的 这个也就是代表它已经进入了就是容性区 那这一块我们如果一旦检测到这个 这个意向 就不会去开通 就不会再去开通这个上管 而是一直等到这个电流 这个谐振电流进行一个翻转 它的极性变成负向 这样的话才会去开通 并且呢在开通的时候呢 在开通这个上管的时候呢 我们是软启动这样的模式 所以它的这个开关频率 是要远远大于之前的那种 在之前正常工作那个频率 所以由于这个开关频率比较大 也是确保这个 LLC 控制器 是工作在感性区远离这个容性区 这样的话实现了自动的容性区保护的功能 所以也是提高了我们整个器件 整个系统的这样可靠性 那接下来看一下我们这个高压启动的功能 那在 25630 呢 这个其实我觉得也是非常重要的优点 我们会有专门的 pin 脚 HV PIN 可以通过电阻接到外部的 交流电源上面 那在交流电源上电的时候呢 我们内部会有 JFET 那通过这个 JFET 然后提供个电流源 电流源来给这个 VCC PIN 脚上的 外挂的电容进行充电 当外部的这个电容的电压的阈值 超过 VCC PIN 脚的工作阈值之后 那这个时候呢 VCC 这边会输出 12 伏 大约 12 伏的直流电压 来供给前级的 PFC 从而那个开通前级的 PFC 当前级的 PFC 正常工作之后 整个 LLC 我们的控制器 会进入正常工作的模式 这个时候我们会有一个 我们是通过辅助绕组来给 来给这个 VCC 进行电流的供电 那这样的话其实这个性能呢也是 减少外部的辅助电源的使用 那结合刚才所说的一些特性 我们来看一下在整个系统上面 能够给大家实实在在带来 哪些成本上的降低 那可以看到由于我们具有高压启动的功能 所以外部的一些辅助电源这一块的话 其实就不需要了 第二块的话就是刚才我们提到的 X 电容放电 那不需要专门的 X 电容放电 IC 或者是外部的一些电阻 还有一块就是我们的这个 LLC 控制器 它是可以提供 0.6 安和 1.2 安的 拉灌电流的 MOS 管驱动能力 所以也不需要一般情况下来说 也不需要高压的 gate driver 另外的话由于我们 其实是有 VCC pin 脚来给 前级的 PFC 进行供电 那这一块的话也是对前级的 PFC 来说 也是使能的作用 其实也是不需要我们再有额外的光耦器件 或者是 PFC 控制信号 来控制前级的 PFC 的开通与关断 最后一点的话也是刚才我们 就是第一点所提到的那个动态响应这一块 由于 25630 它的动态响应性能非常好 所以也是一定程度上 降低了我们输出电容的使用