Infineon EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7评估板评测-第二篇

zh_arm

因为现实中绝大多数的负载都是容性或者感性, 需要对PF就行校正, 称之为PFC. 对于大型用电场所, 供电部门会自建一些硬件设施来做PFC. 但是开关电源因为对电源进行了非线性变换, 供电部门并不能获知真实的负载的阻抗特性. 因此, 对于开关电源的PFC一般在电源本身进行. 小型非开关电源如果需要提高PF,也可以做PFC(一般不需要, 因为这种电源功率一般不大).根据PFC的技术路线不同, 分为被动型PFC和主动型PFC. 综合成本,工程复杂度考虑, 在某个功率之下的电源使用被动PFC, 某个功率之上使用主动PFC. 没有PFC的电源的PF在0.5左右, 被动型PFC能达到0.7-0.8, 主动型可以达到0.9以上. 比如我们评测的这个板子能达到0.96.

被动型PFC(Passive PFC)

被动型PFC一般就是根据负载特性进行电抗补偿. 如大多数直流电源是容性负载, 所以补偿一个电感. 比如功率不大的电脑开关电源一般使用被动PFC.

图 使用了被动PFC方案的电脑电源

图中左边贴在电源外壳上的就是用来做被动PFC的电感. 一般而言这种电源功率不高, 因为功率高的话, 这个线圈电感需要做很大. 这样成本上不划算, 散热也不好解决. 但是这种方案电路简单, 在功率不大的场合实现起来成本低, 维护方便. 但是最高PF也只能达到0.85左右.这种设计还有一个缺点就是难以实现宽电压范围输入. 其实缺点也不少, 但是在对价格敏感的用户群体中还是有市场.

zh_arm

下面从原理上看看仿真, 从上一篇的全桥稳压电路出发, 在输入端增加了一个电感.

图 全桥稳压电路使用被动型PFC方案

图 全桥电路使用被动PFC的仿真结果

可以看到电流的导通角大大增加, 理论上精确计算补偿电感可以达到比较高的PF,实际上被动型PFC能达到的校正效果不如主动型PFC.

总结下被动型PFC的优缺点:

被动型PFC 优点:

• ·       简单
• ·       成本低
• ·       易于维护
  

被动型PFC 缺点:

• ·       体积大,较重(被动式PFC通常为一块体积较大的电感，由多块硅钢片外部缠绕铜线而成,而主动式PFC则由电感线圈配合IC控制芯片组成。)
• ·       适应电压变化范围小
• ·       稳压范围小
  

电感补偿式的被动PFC有结构简单、成本低廉的优势，但是其电感的体积和重量都会随着电源额定功率的提升而增加，因此被动PFC基本上不会用在额定功率比较高的电源产品中。被动PFC曾经是PC电源上的主流，现在虽然已经退出主流市场，但由于相对低廉的成本，因此其仍然活跃在额定功率400W以下的入门级电源产品中。随着各国对PFC的要求越来越高, 目前市场上被动PFC的产品非常少了.

zh_arm

主动型PFC(Active PFC)

主动型PFC的实质是电源中增了一级开关转换(DCDC + PFC). 其中PFC级对输入电流进行采样而控制电流导通与否来补偿负载的电抗. 根据PFC阶段的控制方式, 可以分为CCM(连续导通模式), DCM(非连续导通模式)和CrCM(关键导通模式). CrCM其实是CCM与DCM的混合型. 本评测开发板使用CCM模式.

CCM

此种模式下开关频率会变化, 大多数开关周期电感上的电流不会归零. 这种模式优点在于达到同样平均输出电流的情况下, 电流变化小, 峰值电流小. 因此EMI过滤器的体积也较小. 输入纹波小, 频率基本稳定, 后级的稳压电路因而也简单. 缺点是续流二极管需要硬反向恢复. 从而导致数十MHz的高频噪音, 以及开关损耗(续流二极管硬恢复导致).

DCM

此种模式下开关频率固定, 每个开关周期电感上的电流会归零. 稳定性最好.

CrCM

此种模式下开关频率会变化, 每个开关周期电感上的电流会归零.

zh_arm

EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7原理图分析

图 框图

先从框图看起, 左边AC电源进来接一个保险丝, 一个MOV(金属氧化物可变电阻), 这两个是保护电路用的. 保险丝不用说了, MOV在电压非常大时电阻会变小所以可以用来吸收瞬时尖峰脉冲能量. 之后就是交流变压器, 对交流电做一点电压变换. 之后就是整流桥.

整流桥其实有两套, 一套是传统的二极管全桥, 另外一套就是MOS管做的有源桥. 因为有源桥的单臂导通压降小于二极管, 所以常规工作时二极管全桥被bypass了. 但是电源启动时的浪涌电流会分一部分到二极管桥上, 起到一定的保护作用. 另外有源桥是可插拔式的子板, 如果你想测试有源桥和二极管桥之间的差别, 可以把有源桥拔掉. 但是这种情况下, 二极管桥上需要做散热措施. 这个板子的特点之一就是有源桥替代二极管桥. 对PFC的提升很大.

zh_arm

有源桥的框图和原理图如下:

图 有源桥框图与工作模式

注意途中也有二极管与MOS管并联, 这是MOS管的寄生二极管, 在计算损耗时需要考虑在内.

图 有源桥原理图

控制有源桥两种模式:

• 1.     使用交流电压分压
• 2.     采样MOS管DS端压降
  

图 有源桥控制方式一

图 有源桥控制方式二

从有源桥的原理图可以看出, 本开发板使用的方式二.

zh_arm

系统框图再往右看就是DCDC转换级与PFC级. 这两级的控制级都是ICE3PCS01G这个芯片+驱动电路来控制的. 另外前面说的有源桥与ICE3PCS01G及其驱动电路都是另外一个子板KIT_6W_13V_P7_950V来提供电源的.

DCDC转换级是常见的Boost拓扑, PFC级是控制另一个MOS管来实现的. 传统上这里的PFC是用一个继电器来实现的,本开发板将继电器替换成了一个MOS管.这也是本开发板PFC性能较高的另外一个重要原因.

图 将交流侧的预充开关移动到直流回路

将预充开关从AC回路移动到DC回路是目前高密度PFC开关电源的一个趋势, 另外本开发板将这个继电器替换成MOS管. 体积,效率,响应速度都得到了很大的提升.

图 继电器vsMOS管(体积上MOS管完胜)

图 继电器vsMOS管(效率上MOS管完胜)

这里用MOS管替换继电器的好处:

• 1.      增加功率密度(体积减小很多)
• 2.      提高系统稳定性与鲁棒性(MOS管肯定比机械继电器要稳定)
• 3.      提高散热性能(开关损耗大大降低)
• 4.      EMI参数更好(开关噪音上MOS管肯定是完胜)
• 5.      没有开关的噪音了(对于消费级的电脑,电视机来讲这点尤其重要)
• 6.      故障诊断简化
  

当然MOS管这里也不是解决了所有问题, 比如高压浪涌保护挑战也很大, 还有能替代这个继电器的MOS管目前成本要比继电器高

到这里系统框图简介就完了, 感兴趣的读者可以对着系统框图和原理图品味一下.

图 主板原理图

本片到此为止, 下篇见!