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采用UCC28056器件PFC设计解决待机功耗问题

1 媒介

跟着产品律例持续要求在这些关键领域前进机能,效率和待机功耗已成为离线利用中关注的重点。这种关注必要采纳繁杂的功率策略以满意这些要求,例如在低功耗模式下关闭PFC。这种策略虽然有效,但极大年夜地增添了系统设计的繁杂性,也增添了PFC下流的DC/DC转换器设计的包袱,使其无法处置惩罚更宽的输入电压范围。UCC28056器件专为办理此问题而设计,可在全部负载范围内维持高效率,使设计职员纵然在低功率模式下也能维持PFC开启状态。本利用指南先容了应用UCC28056优化过渡模式PFC设计以前进效率和待机功耗的设计决策。

2 功耗标准

表1和表2总结了美国能源部(DOE)VI级对铭牌输出功率为50 mW及以上的利用的功耗要求。

表1.DOE VI级(50 W至249 W)

表2.DOE VI级(》250 W)

表3总结了《欧盟行径准则》(CoC)II级对铭牌输出功率为50 W至250 W的利用的功耗要求。在撰写本文时,未获知铭牌输出功率大年夜于250 W的要求。

表3.CoC II级功耗要求

应该留意的是,CoC II级斟酌了10%负载下的轻载效率点,该负载下的效率平日因静态损耗和较低的输出功率而受到影响。在10%负载下效率较低,是以在其他四个调节效率点上必要更高的效率以满意最小匀称效率。

3 优化效率和待机功耗

为了阐明优化待机功耗和效率的措施,请斟酌以下85 VAC至265 VAC,165 W设计,如图1所示。

图1.UCC28056设计示例

4 突发模式运行

UCC28056实现了突发模式功能,进一步改良了轻载效率和待机功耗。此外,在进入突发模式后,导通光阴脉冲宽度在前4个开关周期内斜坡上升。此外,在退出突发模式之前,导通光阴脉冲宽度在着末4个开关周期内斜坡下降。这种软导通和软关断策略在进入突发模式后在前4个周期内增添线路电流,并在着末4个周期内低落线电流。此功能可在轻载前提下限定可听噪声和对EMI滤波器的滋扰。

进入和退出突发模式经由过程利用于COMP引脚电压的两个对照器阈值实现。两个对照器阈值的匀称电压约为VCOMP_Max的11%,这意味着在每个突发周期时代通报的功率约为最大年夜输出功率的11%。

在突发开启时代,PFC级的效率大年夜约即是PFC转换器在11%负载下的效率。在突发关闭时代,UCC28056的电流耗损降至125μA。在没有转换动作发生的突发关闭时代的功率损耗主要由PFC级内的静态功率损耗抉择。等式1供给了待机功耗机能的近似值

当PFC级上的负载低落到10%以下时,突发时代的频率也会低落,以维持轻负载的高效率。

5 限定静态损耗

电路内器件的静态损耗会前进待机功耗。例如桥式整流器、升压二极管MOSFET中的传导损耗,本节为选择相宜的值以低落PFC级中的功率损耗供给了指示。

5.1 分压器

VOSNS引脚连接到内部跨导放大年夜器的反相输入,用于经由过程电阻分压器设置PFC级输出调节点。因为范例的PFC输出电压约为400 V,是以反馈分压器中的静态功率损耗可能很大年夜,并且是导致高待机功耗的主要缘故原由之一。等式2是VOSNS分压器中的静态功耗:

此中VBLK是PFC级的输出电压,ROS1是分压器的顶部电阻,ROS2是分压器的底部电阻。对付400 V的输出电压和1MΩ的总反馈电阻,反馈分压器的静态损耗为160 mW。是以,应用尽可能大年夜的反馈电阻是有利的。然则,因为VOSNS偏置电流IOSNSBias的影响,较大年夜的ROS1值会导致调节精度下降。等式3显示了调节精度与ROS1电阻之间的关系:

此中IOSBias是VOSNS引脚的偏置电流。最大年夜IOSNSBias电流为100 nA。等式4确保因为IOSNSBias造成的输出电压调节低落不到1%:

1对付390 V的输出电压,ROS1的最大年夜值为39MΩ。可以应用等式5谋略ROS2的响应值,此中VOSReg是基准电压,2.5 V:

假如应用3×10-MΩ电阻作为ROS1,应用100kΩ+93.1kΩ作为ROS2,则VOSNS分压器的总待机功耗为5 mW。

5.2 UCC28056 + UCC25630x反馈/ BLK分压器

对付在PFC级下流应用LLC转换器的AC/DC系统,可以将VOSNS电阻分压器设置设置设备摆设摆设为用作过渡模式升压PFC级的反馈分压器和LLC节制器UCC25630x的BLK引脚分压器,如图2所示。这种措施经由过程打消全部AC/DC系统办理规划中的额外高压分压器,大年夜大年夜低落了静态功耗。

图2.UCC28056和UCC25630x的结合高压分压器

为了适应UCC28056和UCC25630x的不合电阻分压比,必要两个电阻抽头。将PFC储能电压设置为390 V时,VOSNS分压比KOS即是156,如等式6所示。KBLK由LLC预期打开时的最小PFC储能电压抉择。当储能导通阈值为3.05 V,所需的导通阈值为340 V时,BLK分压比KBLK即是111.5,如等式7所示:

在本例中,选择上分压电阻ROS11,由3个串联的3.24 MΩ,1206 SMT电阻组成,如等式8所示:

同时求解等式6和等式7,获得等式9:

然后应用以下等式找到响应的ROS2:

这两个电阻可以应用标准电阻值实现,如等式11和等式12所示:

该组合电阻分压器的总功耗为15.5 mW。

5.3 ZCD/CS分压器

在突发关闭前提下,ZCD/CS分压器的功耗最高。在这种状态下,漏极电压近似于即是线路电压峰值的DC电压。ZCD/CS分压器的峰值功耗如等式13所示:

此中RZC1是ZCD/CS分压器顶部电阻的电阻,RZC2是ZCD/CS分压器底部电阻的电阻。与VOSNS分压器异常相似,可以经由过程ZCD引脚检测精度的小幅协调增添RZC1和RZC2的电阻。等式14将ZCD偏置电流引起的精度下降限定在1%以下:

分压器链中的上部电阻RZC1必须在浪涌测试下遭遇峰值输出电压。对付耐用的办理规划,此位置的电阻应具有高于升压MOSFET雪崩额定值的额定电压。3个1206 SMT,3.24MΩ的串联链满意精度要求,并供给高于600 V的耐压能力。应用等式15和等式16确定RZC1和RZC2的适当值:

最大年夜输入电压为265 Vrms时,半个周期内的峰值功耗为14.41 mW。

5.4 X电容选择

X电容器是EMI滤波器的关键组件,并且逐线连接以抑制EMI噪声。当电容器充电和放电时,在电容器的等效串联电阻上耗损会功率,如等式17所示:

流过电容器的均方根电容器电流取决于线路均方根电压、线路频率和X电容器设置设置设备摆设摆设中的总电容。轻忽寄生电感,x电容带给线路的阻抗可以如等式18所示谋略:

可以应用等式19谋略X电容的功率损耗:

对付并联最大年夜线路电压265 Vrms和0.33μF,每个的损耗因子为0.00022,X电容耗损的功率为6.4 mW。

5.5 有源X电容放电

某些利用必要一种措施将EMI滤波器中应用的线间电容器在指准光阴内放电到合理电压。这是为了确保AC插头上的高压不会无限日地保留。有几种节制放电光阴的标准,如IEC60950、IEC60065和IEC62368,总结在表4中。

表4.X电容器放电标准4

一种盛行的做法是将泄放电阻与X电容器并联放置。一样平常准则是每100 nF的电容必要并联添加10MΩ的最大年夜泄放电阻。对付330 nF的X电容,必要至少3.3MΩ的泄放电阻。

虽然这是一种经济有效的措施,但它会导致系统中额外的静态功率损耗,增添待机功耗。对付85 VAC至265 VAC的输入电压范围,3.3MΩ泄放电阻分压器的功率损耗为21.2 mW。更有效的措施是应用有源X电容放电功能,该功能仅在检测到AC断开时才启用。对付应用下流LLC级的AC/DC系统,此功能集成在UCC256301和UCC256304谐振节制器中。UCC256301和UCC256304能够经由过程高压引脚检测AC线路,当检测到AC断开事故时,放电X电容。在稳定状态下,HV引脚的最大年夜泄电流为7.55μA。每隔720 ms,UCC25630x转换器将一个测试电流阶梯利用于线路,反省过零以确定AC拔插事故。假举措措施加到HV引脚的电压是即是AC线电压的整流正弦波,则可以应用等式20谋略最坏环境下的功耗:

5.6 桥式整流器

桥式整流器中的功率损耗是导通时代的正向电压和每个二极管的寄生电阻的结果。每个二极管的总功率损耗用等式21表示:

最坏环境下的功率损耗发生在最小线电压和最大年夜负载时。对付2.1 A的峰值输入电流、1 V的正向电压和80mΩ的寄生电阻,可以应用等式22谋略每个二极管的总功率损耗:

桥式整流器的总损耗如等式23所示:

二极管的正向电压取决于温度,此中正向电压跟着二极管的结温度的增添而低落。是以,在桥式整流器中,可以对结温升高和导通损耗低落进行权衡。

5.7 MOSFET选择

升压开关元件中的总功率损耗可以经由过程由开关的导通电阻引起的导通损耗和驱动MOSFET的栅极的开关损耗来描述。可以用等式24谋略导通损耗:

此中,IMOS_RMS是MOSFET的均方根电流,RDS_on是MOSFET的导通电阻,Cotemp是与导通电阻相关的温度系数。开关中的最大年夜电流呈现在满载和最小输入电压时:

导通电阻跟着MOSFET结温的增添而增添,在传导损耗等式中由Cotemp表示。在事情时代低落MOSFET的温升可以低落传导损耗。MOSFET中的开关损耗总结如下:

削减MOSFET的栅极电荷以低落上升和下降转换光阴是有利的。然而,对付600V MOSFET,在这方面的选择有限。

6 待机功耗丈量技术

可以应用等式29谋略PFC级耗损的实际功率:

因为UCC28056的突发模式特点,输入功率变更平日异常高,并且难以从瞬时功率丈量进行正确丈量。运器具有积分功能的功率计可以让用户在设定的光阴距离内积分mWh,然后履行简单谋略以得到PFC级耗损的匀称输入功率。图3显示了UCC28056EVM-296上待机功耗丈量的精确连接。

图3.待机功耗丈量连接

6.1 功率表连接和设置

强烈建议将PFC级的输出与任何丈量仪器(如电子负载或电压表)物理断开。因为PFC级的输出是相对较高的电压,丈量仪器接受的泄电流可能导致10 mW的轻负载,这将工资地增添待机功耗丈量值。为了防止AC线电压丈量的功耗使待机功耗结果增添,将电压丈量的正极度子连接到面向AC电源的电源线也很紧张。。因为PFC级在待机状态下接受的电流异常小,是以线电压的丈量偏差小到可以轻忽不计。将电流表连接到中性线,以避免高频噪声和电容耦合增添电流丈量读数。

图4.AC功率表连接

线电压和线电流丈量的更高精度可低落丈量的噪声基底,并削减丈量距离内积分的偏差量。建议应用尽可能低的电压范围。电流范围必须足够大年夜,以丈量突发时代的峰值线电流。建议应用电流探头丈量峰值线电流,并选择正好高于最大年夜丈量线电流的电流范围。

6.2 匀称输入功率谋略

在积分模式下,功率表谋略PFC级在丈量距离时代耗损的功率量(mWh)。然后可以应用等式30谋略匀称输入功率:

6.3 待机功耗和效率丈量

表5总结了PFC设计从85 VAC到265 VAC的待机功耗丈量。

表5.待机功耗丈量

图5总结了线路和负载的效任机能。

图 5.效率与输出功率

7 总结

UCC28056可在全部负载范围内供给卓越的待机功耗和效任机能,使设计能够满意最新的功耗标准。UCC28056的突发模式运行可实现高轻载效率,使设计纵然在低功耗模式下也能维持PFC开启。经由过程使PFC持续开启,可实现更窄的输入电压范围,简化整系一切繁杂性以及下流转换器的设计。

8 参考文献

1. Texas Instruments, A Design Review of a Full-Featured 350-W Offline Power Converter

2. Texas Instruments, Power Stage DesignerTM User‘s Guide

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