零基础掌握先进的PFC+LLC解决方案
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一、PFC 篇
在电能质量和用电效率越来越重要的背景下,采用PFC+LLC架构的电源设计越来越普及,并已经开始在很多应用中替代传统的无PFC的方案或简单的反激、正激方案。今天我们从基础说起,让各位从入门到精通掌握PFC+LLC的先进解决方案。
首先,为什么要用PFC?
一个没有PFC的电源在AC输入端的波形通常是长这样的。
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一想到这么多尖尖电流在我们的电网里流通,是不是有种如坐针毡的感觉?PFC就是用来解决这个问题的。虽然听起来就很贵的样子,但是PFC可以把AC输入端的波形变成这样,不止可以保护电网质量,还能治好工程师的强迫症。
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PFC可以有很多种不同实现方式,但大部分实用电路都是在Boost或在Boost基础上的衍生变形。
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而从控制方式的角度来说,PFC主要可以分为CCM和CrM两类。
CCM控制是指Boost电路中的电感电流处于连续导通状态,这样的好处可以用峰值比较低的电感电流实现比较大的输出功率,但同时所带来的问题是二极管反向恢复引入的开关损耗;CrM控制是指Boost电路中的电感电流处于临界导通状态,这种状态下二极管电流是自然过零关断的,所以没有反向恢复问题,但在实现同等输出功率的情况下,CrM的电感电流峰值必然大于CCM,这不利于电感设计。基于上述特点,CCM适合更大功率,而CrM适合较小的功率。二者的合理分界线通常在300W-400W之间。
MPS提供一系列的先进的PFC+LLC集合数字控制芯片
HR1211的PFC部分采用 CCM控制方式,电感电流在重载情况下处于连续状态,并且开关频率可以通过数字接口进行配置。在轻载状态下HR1211会自动降低开关频率,并过渡到断续电流状态,以此降低开关损耗,从而达到全范围工作状态下的高效率。
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HR1275的PFC部分采用 CrM控制方式,电感电流在重载情况下处于临界导通状态,并同样在在轻载状态下会自动降低开关频率,过渡到断续电流状态。而且无论是临界导通还是断续状态,HR1275都会通过内部的检测电路保证谷底开通,从而将开关损耗降到最低。
以此降低开关损耗,从而达到全范围工作状态下的高效率。
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另外,HR1211和HR1275都提供了PF(或THD)补偿的功能,自适应地消除电路中的非理想因素对输入电流波形的影响,可以在各种输入电压和负载条件下实现0.9以上的PF值。特别在高压输入的情况下,相较于没有此功能的PFC方案有明显优势。可谓是无死角的“真•PFC”方案。
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二、(LLC篇)
全面了解了PFC的情况之后, 让我们来介绍它的好朋友LLC。而为什么把PFC和LLC称为好朋友呢?这要从LLC的特点和PFC的一个隐藏技能这两个方面慢慢道来。
LLC是通过谐振电感Lr、励磁电感Lm、谐振电容Cr谐振来进行功率变换的一种高效拓扑结构。因为能以这种非常简单的结构完成全部开关管的ZVS(零电压开通),从而实现超高的转换效率和极低的电磁噪声,LLC是一种非常受欢迎的拓扑。
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以基波分析法为基础,可以计算得到LLC的主要特性
如下图所示,LLC输入到输出的增益与开关频率有直接的关系,因此LLC控制也通常是通过反馈调节开关频率来实现的。
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当开关频率等于谐振频率的时候,LLC输入到输出的增益为1,电路工作在完全谐振状态,实现软开关和高效的变压器利用率。
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在开关频率高于谐振频率的“Region 1”,增益随开关频率升高而下降,因此LLC的开关频率是随负载下降而降低的。但是需要特别指出的是,在Q值比较小(负载比较轻)的时候,增益随频率的幅度是非常有限的,因此LLC也很难支持输出电压下降的轻载工作状态。
在开关频率低于谐振频率的“Region 2”,增益随开关频率升高而上升,因此LLC能够通过降低开关频率的方式提供一定的升压能力,但是也有非常大的局限性。一方面,开关频率下降导致励磁电流增加,越高的升压能力就意味着越大比例的励磁电流,这会造成极大的效率损失。另一方面,在Q值比较大(负载比较重)的情况下,LLC会进入“Region 3”,也就是容性模式,导致更加严重的硬开关问题。
因此,LLC的优势突出而弱点也非常明显
一方面LLC在输入输出比例相对固定的情况下可以完美的实现软开关以及高效率,另一方面LLC也很难支持输入电压或输出电压的宽范围变化。这样在市电输入范围是85Vac-265Vac的情况下,LLC是很难发挥出它的优势的。
这时PFC刚好可以帮上大忙
虽然PFC的主业是把AC输入电流整理好,但由于PFC电路通常是基于Boost结构的,它还能顺便把宽范围的输入电压提高到一个固定的值(通常是400V左右),这就刚好弥补了LLC的弱点。这就是为什么在很多场合下PFC和LLC是一对形影不离的好朋友。
MPS提供一系列的先进的PFC+LLC集合数字控制芯片
HR1211集成CCM PFC和LLC控制、HR1275集成CrM PFC和LLC控制。两颗芯片的LLC控制部分均采用稳定性和响应速度更优的电流模式,并引入了可编程的Skip、Burst控制模式以实现全范围的高效率。另外,全系列芯片还配备了先进的设计工具和可视化接口软件,能够辅助完成高效的PFC+LLC的方案设计。
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