安森美低/中/高功率電源方案設(shè)計(jì)框圖與產(chǎn)品選型指南

幾乎所有電子設(shè)備中都包含開關(guān)電源 (SMPS)。這種電源尺寸很小但效率很高，是比較廣泛使用的電源之一。SMPS 集成了可控開關(guān)、控制 IC 和無源元件，為負(fù)載提供可持續(xù)的可靠輸出。

DC-DC 和 AC-DC 電源轉(zhuǎn)換是比較常見的兩種電源類型。大多數(shù)負(fù)載需要直流輸入，例如手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)據(jù)中心內(nèi)高功率服務(wù)器中的芯片。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器可將直流輸入轉(zhuǎn)換為所需的直流輸出，是 SMPS 的核心器件。AC-DC 轉(zhuǎn)換器（即所謂的離線轉(zhuǎn)換器）將電網(wǎng)的交流輸入整流為直流，作為次級(jí) DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的輸入。但這樣的輸入可能不太穩(wěn)定或比較多變，因此我們需要使用一個(gè)控制 IC 來監(jiān)測電路、提供反饋并同時(shí)控制開關(guān)，從而確保產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出功率。

典型電源

提高效率始終是 SMPS 的核心追求。這里的效率是指 SMPS 從電網(wǎng)吸收的功率與向負(fù)載提供的有用功率之間的比值。然而，如果輸入線路電流和電壓異相或波形不同，那么消耗的視在功率可能會(huì)顯著提高，導(dǎo)致效率大幅降低。

解決異相問題的方法稱為 PFC（功率因數(shù)校正）。在交流輸入和次級(jí) DC-DC 轉(zhuǎn)換器之間插入 PFC 級(jí)，可以減少諧波電流失真并提高功率因數(shù)，從而保障穩(wěn)定的直流輸出。如今，電氣設(shè)備必須符合相關(guān)法規(guī)要求，例如美國/加拿大的 IEC61000-3-2、歐盟的 EN61000-3-2 和中國的 GB/T 14549-93 等，以確保在不同輸入電壓和負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低總諧波失真。

此外，新的能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了更廣泛工作功率范圍內(nèi)的能效等級(jí)。例如，80 PLUS 計(jì)劃推動(dòng)在 20% 至 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 80% 或更高的效率，并在 100% 負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn) 0.9 或更高的功率因數(shù)。該計(jì)劃的最高等級(jí)（稱為“80+ 鈦金”標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，在 20% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 92%，在 100% 負(fù)載時(shí)效率至少要達(dá)到 94%。

電源設(shè)計(jì)是一個(gè)永恒的課題。新的要求和技術(shù)層出不窮，電源設(shè)計(jì)總會(huì)遇到形形色色的挑戰(zhàn)。例如，電源和無源元件、拓?fù)洹?/span>成本控制、控制器選型、系統(tǒng)監(jiān)測與保護(hù)、EMI和噪聲、PCB布局、熱管理等。因此，我們必須要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

安森美 (onsemi) 是領(lǐng)先的電源方案提供商，提供全面的電源器件組合，包括電源開關(guān)、離線控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓器等。我們還提供評(píng)估板和系統(tǒng)級(jí)仿真工具，可幫助縮短開發(fā)時(shí)間。

低/中功率電源裝置/支持 PD3.1 的電池充電器典型框圖

高功率/高功率密度電源裝置典型框圖

多模式圖騰柱 PFC 控制器NCP1681

• 固定頻率 CCM，具有恒定導(dǎo)通時(shí)間 CrM 和谷底開關(guān)頻率折返功能

• 交流電壓監(jiān)測和相位檢測

• 新穎的電流感測方案

• 欠壓鎖定、熱關(guān)斷、逐周期限流

• 目標(biāo)應(yīng)用 - 超高功率密度 PSU

LLC 控制器，帶同步整流控制器NCP4390

• 用于 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè) PFM 控制器，帶同步整流器控制

• 寬工作頻率范圍（39 kHz～690 kHz）

• 通過補(bǔ)償削減（頻移）實(shí)現(xiàn)非 零電壓開關(guān) (ZVS) 預(yù)防 (NZP)

• 可編程死區(qū)時(shí)間

EliteSiC SiC MOSFET，650VNTH4L015N065SC1

• V_BR 典型值＝650V，R_DS(ON) 典型值＝15mohm

• 開爾文源

• 高速開關(guān)和低電容

3kW 高密度 PSU3KW-TPLLC-GEVB

• 高功率密度拓?fù)?- 圖騰柱PFC＋LLC

• 基于碳化硅

• V_in＝80 - 230V

• V_out = 48 V, I_out = 62.5 A

• 20% - 100% 負(fù)載時(shí)功率因數(shù)＞0.98

• 100% 負(fù)載時(shí)系統(tǒng)效率＞98.4%

• 尺寸＝280×110×38 mm

• 精選產(chǎn)品

  • MM 圖騰柱PFC控制器 – NCP1681

  • 帶同步整流控制器的 LLC 控制器 – NCP4390

  • 隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 – NCP51561

  • 650V SiC MOSFET – NTHL045N65SC1

?應(yīng)用：工業(yè) PSU

安森美的 Elite Power 在線仿真工具能夠在開發(fā)周期的早期階段進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，為復(fù)雜的電力電子應(yīng)用提供寶貴的技術(shù)洞見。Elite Power 仿真工具能夠高精度呈現(xiàn) EliteSiC 產(chǎn)品系列為所設(shè)計(jì)電路帶來的各方面優(yōu)勢(shì)，包括 EliteSiC 技術(shù)的制造邊界工況。

• 適用于硬開關(guān)和軟開關(guān)仿真的 PLECS 模型

• 涵蓋 DC-DC、AC-DC、DC-AC 應(yīng)用，包括工業(yè)和汽車領(lǐng)域的 32 種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

• 支持繪制損耗和熱數(shù)據(jù)圖表

• 采用靈活設(shè)計(jì)并快速提供仿真結(jié)果

• 基于應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)品推薦功能

PLECS 模型自助生成工具賦予電子工程師超高自由度，幫助他們輕松自定義高保真系統(tǒng)級(jí) PLECS 模型。工程師既可以直接在自己的仿真平臺(tái)中使用模型，也可將模型上傳到安森美 Elite Power 仿真工具進(jìn)行仿真。

• 適用于硬開關(guān)和軟開關(guān)仿真的 PLECS 模型

• 自定義應(yīng)用寄生參數(shù)根據(jù)用戶指定的應(yīng)用電路寄生參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可顯著影響導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗

• 高密度寬表根據(jù)用戶指定的電氣偏置和溫度條件進(jìn)行調(diào)整，用于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗數(shù)據(jù)

• 邊界模型可在產(chǎn)品的典型條件和邊界條件下發(fā)揮效用，使用戶能夠跟蹤在較差、標(biāo)稱和較佳制造條件下的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，進(jìn)一步掌握應(yīng)用性能表現(xiàn)

PLECS 模型自助生成工具 - 硬開關(guān)和軟開關(guān)選擇（左）

PLECS 模型自助生成工具 - 密集損耗表（右）