電源設(shè)計(jì)的基本要求

最近幾十年，電源的效率要求發(fā)展迅猛，與曾經(jīng)教科書(shū)中描述的要求大相徑庭，實(shí)現(xiàn)既定額定條件下的高效率只是設(shè)計(jì)的第一步，而真正完全合格且具有競(jìng)爭(zhēng)力的電源設(shè)計(jì)必須在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。

而對(duì)于高效率的定義，眾多相關(guān)的主流機(jī)構(gòu)，例如能源之星，80 PLUS，美國(guó)能源部的EISA以及歐盟委員會(huì)的ErP和CoC，都給出了明確卻不盡相同的要求，通常工作范圍在10％到 100％負(fù)載之間，當(dāng)然還有無(wú)負(fù)載工作條件。

同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，不同應(yīng)用即使在既定的操作條件下也需要遵守不同的規(guī)范。例如，基于每個(gè)品牌和每個(gè)型號(hào)的睡眠模式功耗不同，PC電源在特定負(fù)載條件下的額定效率可能需要低于額定功率的10％；而電視機(jī)電源最關(guān)心則是待機(jī)模式下的效率，通常輸入功率為遙控器關(guān)閉電視時(shí)的最大功耗300mW。同樣，由于適配器大部分時(shí)間是工作在沒(méi)有插入任何負(fù)載的情況下，所以適配器對(duì)空載功率的要求最嚴(yán)格，有時(shí)甚至要求低于10mW。由此看來(lái)，規(guī)格如此之多，即使額定功率相同，也根本無(wú)法采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)來(lái)覆蓋所有應(yīng)用。

除此之外，優(yōu)化效率必定會(huì)對(duì)紋波、瞬態(tài)響應(yīng)以及音頻噪聲產(chǎn)生系統(tǒng)影響，而這些性能卻是極其重要的。所以，現(xiàn)如今想要設(shè)計(jì)出完全合格且具有競(jìng)爭(zhēng)力的電源產(chǎn)品，始終需要不斷調(diào)整設(shè)計(jì)、微調(diào)參數(shù)以及權(quán)衡各個(gè)方面的要求。

其中，最流行的拓?fù)浣M合：帶LLC的PFC常規(guī)模擬控制方案，已流行了數(shù)十年。但隨著新趨勢(shì)以及效率要求的不斷提高，當(dāng)今的設(shè)計(jì)解決方案必須更加靈活，才能有效支持各種系統(tǒng)需求。

圖1：不同情況下的PFC控制模式選項(xiàng)

除了常見(jiàn)的單一臨界導(dǎo)通模式（CrM）或連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）之外，PFC級(jí)還可以多種模式組合使用。

重載時(shí)，CCM模式可以最大程度地降低峰值電流，減小電感及EMI濾波器的器件尺寸（見(jiàn)圖1）。 在中載時(shí)，CCM和斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或CrM的混合控制模式可以很好地平衡峰值電流幅度和開(kāi)關(guān)損耗。輕載時(shí)，斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或突發(fā)模式可以最大程度地降低開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)最佳輕載效率。 因此，具有可編程變頻技術(shù)的混合控制模式可以精確地切換不同模式，對(duì)效率性能曲線的微調(diào)非常有效。

在LLC這一級(jí)，市場(chǎng)正從常規(guī)的電壓控制模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骺刂颇Ｊ剑驗(yàn)楹笳呖梢蕴峁└玫姆€(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。 換句話說(shuō)，基于電流控制模式的新設(shè)計(jì)在一系列應(yīng)用需求中為環(huán)路調(diào)節(jié)留出了更大的設(shè)計(jì)空間。

圖2：不同負(fù)載條件下的LLC控制模式

同樣，LLC控制方案也正在衍生出多種混合控制模式。例如，圖2 顯示了不同負(fù)載條件下，針對(duì)不同目標(biāo)效率和其他性能優(yōu)化要求的三種模式組合。重載時(shí)，諧振模式可以保證在零電壓開(kāi)關(guān)和最小RMS電流的情況下實(shí)現(xiàn)最佳效率。

如在跳頻模式中，每?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)周期后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)開(kāi)關(guān)空閑周期，這樣可以減少開(kāi)關(guān)損耗和磁損耗，同時(shí)可以將低頻頻率保持在音頻噪聲范圍之上。 隨著負(fù)載進(jìn)一步減小，它還能進(jìn)入突發(fā)運(yùn)行模式，以最小化開(kāi)關(guān)損耗。

而且在突發(fā)模式下也可以調(diào)整很多設(shè)置，比如低頻頻率限制和軟啟動(dòng)/關(guān)斷。采用這些技術(shù)可以助力解決方案以滿足效率、紋波和音頻噪聲等方面的要求，同時(shí)帶有可編程工作點(diǎn)和進(jìn)入/退出閾值這些功能的解決方案已成為現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)的理想選擇。

圖3：HR121x系列產(chǎn)品典型應(yīng)用電路

作為 MPS的第二代數(shù)字PFC和LLC組合控制器，HR121x系列產(chǎn)品具有現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)所需的全部功能和靈活性。采用HR121x系列產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)可以滿足各種效率要求，能顯著提高研發(fā)工作效率。 HR121x系列產(chǎn)品結(jié)合了模擬和數(shù)字IC的優(yōu)點(diǎn)，并針對(duì)PFC和LLC應(yīng)用進(jìn)行了全面的優(yōu)化。

通過(guò)集成高壓電流源、經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的X電容放電功能、PFC低側(cè)驅(qū)動(dòng)和LLC半橋驅(qū)動(dòng)，外部電路可保持簡(jiǎn)單整潔（見(jiàn)圖3）。模擬電路的快速響應(yīng)功能也得到了很好的保留，因?yàn)樗醒舆t敏感的功能塊仍通過(guò)芯片上的模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 因此，HR121x能夠像任何模擬控制器一樣有效地實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制，容性模式保護(hù)和死區(qū)時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整。

圖4：HR121x GUI（圖像用戶界面）

另一方面，數(shù)字內(nèi)核和片上可多次編程（MTP）存儲(chǔ)器為解決方案提供了極大的靈活性。 可以通過(guò)基于UART的加密狗和易用的GUI（見(jiàn)圖4）對(duì)關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵切換點(diǎn)的開(kāi)關(guān) 表征以及不同操作模式之間的轉(zhuǎn)換閾值進(jìn)行編程，從而可以根據(jù)不同的性能，不同額定功率條件下靈活滿足不同的效率要求。

HR121x的可編程性甚至還能延展至研發(fā)的下一個(gè)階段，可以采用自動(dòng)搜索優(yōu)化的數(shù)字代碼來(lái)加速整個(gè)研發(fā)進(jìn)度。另外，通過(guò)UART通信，HR121x可以鏈接到自動(dòng)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)。

根據(jù)定義的范圍和步長(zhǎng)掃描目標(biāo)寄存器，可以得出效率、紋波、功率因數(shù)等所有測(cè)試結(jié)果。 然后，篩選出測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)確定最優(yōu)代碼組合。這項(xiàng)工作可以由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需過(guò)多人力參與，而且其最終的代碼組合來(lái)源于真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，非常客觀可靠。

圖5：基于HR121X的自動(dòng)效率優(yōu)化曲線

圖5 展示了基于HR121x的LabVIEW自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。演示過(guò)程中，清除了PFC和LLC控制模式相關(guān)的寄存器，并將所有測(cè)試結(jié)果收集為總數(shù)據(jù)庫(kù)。然后根據(jù)優(yōu)化的數(shù)字代碼建議將前五位過(guò)濾掉，以實(shí)現(xiàn)超高的平均效率。類似的，在某些既定的負(fù)載、功率因數(shù)規(guī)格和輸出紋波要求條件下可以使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)導(dǎo)出最優(yōu)數(shù)字代碼。

高效率始終是電源設(shè)計(jì)的一大目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各方面的高效率更是重中之重。因此，是時(shí)候選擇HR121x這樣的解決方案了，該解決方案不僅具有先進(jìn)的控制方案，還具有靈活的數(shù)字編程功能，能夠適應(yīng)和滿足許多應(yīng)用和操作條件，可以實(shí)現(xiàn)較高的效率目標(biāo)，提高研發(fā)工作的效率。
審核編輯：彭菁