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高效电源设计的实时数字解决方案(第一部分)

发布时间:2021-11-26 来源:芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】电子产品持续快速发展使高效电源设计的要求也不断提高。教科书中定义的高效转换电路已不能满足市场的实际需求,在额定工作条件下实现高效只是现代市场的其中一个要求。真正具有竞争力的电源设计必须在整个负载和工作电压范围内保持高效,包括在轻载和待机条件之下。

 

就这一点而言,主流能效监管机构(例如欧盟委员会、ErP / EuP Ready、80 Plus和能源之星)已经制定了产品功耗和效率的相关标准(见图1)。

 

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图1: 主流能效监管机构


大多数标准都提出了在10%至100%额定负载电流范围内的平均效率要求,以及在空载或待机状态下允许的最大功耗要求。实际中,不同的细分市场通常会根据其最终应用做特定的要求。

 

以下为部分示例:


●     台式计算机通常需要在轻载下长时间运行,因此对它们在低于满载10%的负载条件下运行有特定的效率要求。针对特定的品牌和型号,要求也有所不同。

●     对电视电源来说,最重要的是待机模式下的效率。将一些基本的显示和遥控功能考虑进去,通常要求低于300mW的功耗。

●     电源适配器因为可以与负载完全断开,所以将空载功耗降至最低是最重要的。一些手机适配器的空载功耗甚至可以达到10mW以下。

  

不过,在产品级电源设计中,效率只是设计人员的多个性能考量和权衡因素之一。任何提高效率的尝试都必须考虑其对其他性能因素的影响,例如纹波、瞬态性能、噪声和EMI。在实际的产品设计过程中,这可能需要进行大量优化工作才能满足不同市场中不同项目的特定要求。

 

面对如此复杂和多样的需求,为不断更新换代的产品设计电源解决方案变得愈加困难。许多传统的模拟电源解决方案都不具备现代标准要求的灵活性和可调性,而充分利用数字多模式解决方案已成为实现高效电源设计的关键。

 

HR121x系列产品是MPS的第二代数字PFC + LLC集成控制器,它提供多种控制模式以及出色的设计灵活性,完全可以满足各种市场应用和功率水平的效率和性能需求(见图2) 。

 

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图2: HR121x系列产品中HR1210的典型应用电路


HR121x系列产品集成了高压电流源、安全认证的X电容放电电路和高压PFC + LLC驱动电路。与竞争方案相比,其电路非常简单,几乎不需要外部组件。

 

另外,HR121x系列产品采用数模混合芯片设计,因此还继承了传统模拟芯片在某些方面的优势,如相应速度、实时峰值电流保护、容性保护、自动死区调节以及开关周期内的其他功能 。

 

HR121x的数字控制核心结合可重新编辑的存储器,为整体解决方案提供了极大的灵活性。通过UART通信端口配置,可以轻松控制PFC和LLC两级电路之间的协作、不同控制模式之间的切换、关键操作点的切换频率以及保护功能的阈值时间和恢复方法。因此,采用HR121x系列产品的电源设计能够在任意负载条件下灵活地适应不同应用的性能要求(见图3)。

 

1637658200831244.png图3: HR121x系列产品的PFC控制模式


HR121x系列产品的PFC控制部分可实现CCM和DCM混合模式运行:


●     HR121x系列产品可以在重载条件下完全工作于CCM模式,以最大限度降低峰值电流。

●     在中等负载或高输入电压条件下,可在同一电源频率周期中采用CCM和DCM混合模式工作,以实现开关损耗和峰值电流的最佳平衡。

●     在轻载条件下,HR121x系列产品可以在低频DCM或可调突发模式下运行,以进一步降低开关损耗。

   

通过HR121x系列产品的内部数字寄存器可以调整不同模式的切换点,从而针对不同的输入电压和负载条件,对效率曲线的每一个部分进行优化。

 

HR121x系列产品的LLC控制部分采用高级电流模式,相比传统的电压模式,其稳定性和响应速度更佳。此外,HR121x器件根据负载条件分为三种不同的工作模式(参见图4)。

 

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图4: HR121x的LLC控制模式


●     在重载条件下,采用连续谐振模式以确保零电压导通并最小化RMS电流。

●     如果设备在相对轻载条件下进入跳频模式,则会通过插入死区时间来降低等效开关频率,并避免切换到可闻频率范围内。

●     在极轻负载条件下可进入频率可调的突发模式,这样,在进一步降低开关损耗的同时,还可以通过频率控制来调节可闻噪声的影响。

   

同样,每种模式的切换点和工作状态也可以进行数字调整,以实现效率和可闻噪声之间的最佳平衡。

 

HR121x产品系列提供的出色解决方案可以满足当今许多应用的效率要求,同时还提供了一流的性能与集成度。 其数字内核为设计人员提供了进一步优化设计的灵活性,完全可以满足当今的电源效率标准,并应对下一代设备新要求所带来的挑战。



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