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【我是工程师第四季】超高效率 500W 无桥APFC+LLC半桥谐振开关电源 0-50V 0-10A
阅读: 4765 |  回复: 24 楼层直达

2017/12/25 16:25:27
1
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长


QQ截图20160321155901 测试测量版区上线啦!送祝福赢好礼

QQ截图20160321155901 宝箱升级喽!开启探秘地宫之旅!




      作为一名电源工程师(自封),一直以来都在做一些简单的100W内反激、BUCK、BUCK-BOOST。。。看着论坛中高手如云,他们都做几千瓦的大功率电源,心里痒痒。最近开始在暗里默默学习大师们的高超技术及写作文采,也给自己定个任务以此掌握:无桥APFC及LLC半桥开关电源

 

1. 设定参数:输入85-265VAC,输出0-50V 0-10A 500W,隔离,符合CE认证标准,目标满载效率94%。

2. 预估尺寸

3. 寻找外壳

4. 画原理图

5. 画PCB

6. 列BOM清单

7. PCB打样,采购元器件

8. 调试

9. 总结调试中遇到的问题,总结此内电源设计注意事项

 

先设计框图如下:

为什么要用没有桥堆的APFC?

一般APFC+半桥LLC两级架构开关电源效率为90%,则输出50V,10A的电源输入功率为:50V*10A/0.9=555.5W;

输入电压为85VAC时,PF假设为0.99,则输入电流为:555.5W/85V/0.9=6.6A;

一般桥堆内单个二极管的压降为1.2V,同时有两个在工作,则桥堆的功耗为:1.2V*6.6A*2=15.84W

可见桥堆损失的效率为:15.8W/555.5=2.85%

15.84W的功率和2.85%的效率损失对500W的中等功率电源来说关系不大,但对于几千瓦的电源桥堆的功耗就很大了。在这里以500W电源为案例希望能与大家深入学习并掌握无桥APFC设计经验,也请各位高手不吝赐教,万分感谢!

 

这是在网上看到大师们做的电源

 

 这是我之前买的480W服务器电源,拆机学习用的,不过他这是有桥堆的。

这个电源的拆机分析在我之前发的帖子里面有详细说明,大家可以去看看。 可以去我的帖子里面可以找到,或者搜索【我是工程师第三季】 高清无码460W全桥相移服务器电源拆解 UCC3818D+UCC3895DW就行。

希望能做到上面两张图中这么漂亮。


下面我们开始聊聊无桥PFC线路

我们以STAN2606这篇文档跟大家一起开始学习(需要原文档的可以留下邮箱我发给各位)

                                               2

传统的Boost拓扑是PFC应用中最有效的拓扑。它使用一个桥堆将AC输入电压整流到DC,然后再升压。见图2。这种方法适用于中低功率范围。随着功率水平的提高,全桥开始成为应用的重要组成部分,设计者必须解决有限表面面积散热问题。从效率的角度来看耗散功率是非常重要的。

                                               3

无桥拓扑提出避免整流器输入桥,并且还需要保持经典的升压拓扑结构。这是利用漏极、源极之间的体二极管和PowerMOS开关来完成。一个简化的无桥PFC配置如图3所示。

                                               4

4从功能的角度来看,电路类似于普通Boost转换器。传统的拓扑电流流经两个串联的二极管(全桥内)。在无桥PFC配置中,电流通过二极管与PowerMOS提供唯一返回路径。

为了分析电路的运行情况,有必要把它分成两部分。第一部分作为升压级运行,第二部分作为AC输入信号的返回路径工作。参考上图,左边显示正半周期中的电流,右边显示负半周期中的电流。

当交流输入电压为正时,M1的栅极被驱动,电流从输入端流过电感器,储存能量。当M1关闭时,电感的能量被释放,电流通过D1,通过负载并通过M2的体二极管返回到输入电源。参见上图左边。在关断时间,电流流出电感L(在此期间释放其能量),流入升压二极管D1,并通过负载形成回路。

在负半周期电路操作中,如上图右所示,M2接通,电流流过电感器,储存能量。当M2关闭时,能量被释放,电流流过D2、负载,然后返回到M1体二极管,再返回到电源。

需要注意的是这两个MOS场效应晶体管的驱动是同步的。各部分是否构成一个活动的Boost或作为当前返回的路径并不重要。在任何情况下电流都是从高电压流向低电压。

                                               Fig.5

PFC功能需要控制从电源中抽出的电流,并像输入电压波形(正玄波)那样调节它。要做到这一点,必须检测电流并将其信号输入控制电路。在平均电流模式的传统升压拓扑中,我们检测到的是整流电流而不是交流输入电流。这可以通过一个简单的检测电阻的电流来实现,如上图Fig.5

上图Fig.5a电流检测的这种设计属于消极的信号处理。这种类型的电阻电流感很容易在中等功率应用中实现。但大功率PFC电路需要使用磁电流互感器提高效率如图Fig.5b所示。

在无桥PFC配置中因为输入整流桥是不能用的,当前不断变化的方向和一个简单的电阻检测电流的复杂性增加。此外,在高功率应用中,电阻可能消耗过多的功率。在这种情况下,用电流互感器进行电流检测是首选的方法,如图Fig.5b所示。

电流互感器铁芯通常是高磁导率铁氧体(环形或小铁心组)。变压器的主要部件是单匝导线穿过铁芯。次级通常由50100匝组成。

这种类型的感应变压器不能在低频段工作,因此,它必须连接在高频开关电流的地方。必须允许磁芯复位。这通常是通过使用二极管完成的。为了再现升压拓扑结构电感的电流,必须要两个感应变压器(一个检测Ton时电感电流,另一个检测Toff时电感电流),简化的示意图如图Fig.5b所示。

当此互感器解决方案应用于无桥拓扑时,如图Fig.5b,不再有效。必须再做修改,如下阐述:

     

                                                                  

                                               6

该电路比传统升压拓扑情况更加复杂因为我们这里有两个双PowerMOSM1M2)和二极管(D1D2)。

有必要感电流斩波的(PowerMOS +二极管)部分和总的信号被应用到的。

检测二极管的电流可以简单地通过放置一个磁传感器在共阴极做(图Fig.6中的L2)。

对于电路的MOS部分,复杂性增加,因为在半周期中,当一个MOS导通时,另一个必须处理回流到主电源的电流。使用传感器的结构如Fig.6所示,可以在不过分复杂的情况下解决问题。

由于两个绕组的耦合不能允许L1的退磁,所以使用辅助晶体管Q1来在关断期间打开电路。Q1可以是一个小信号晶体管,因为它的开关电流很低,这是因为变压器次级有大量的匝数。为了实现电流互感,这里采用了一种高磁导率环形铁心(UR5000)。次级有50匝,以减少二次电流,但不需要更多的匝数。

PFC电路不仅需要检测电流波形,还需要检测输入电压波形提供给控制器内部乘法器,输入电压检测电路如下:

7AB

它是基于以下考虑:有用的信号(几十赫兹)的频率,远低于开关频率(几十千赫)。低频的升压电感表现出短路的特性。

由于MOS源极接地(通过体二极管),所得到的等效电路如图7b

电压(来自电感)和流入Iac引脚的电流之间的关系是:

该极点必须位于一个足够高的频率上,以便不会使输入波形失真,同时又足够低以过滤开关频率。

在这个应用中,等效电阻已经被选定

Req=324K,非常适合当前的设计。

由此算出R1300KR212K

实现实际应用中可按下图8所示,这种方式的电感提高了共模抑制比,避免了MOS场效应晶体管漏极电容差异的影响。为了简化模型,假设一个近乎一致的耦合系数和等效电路是在图8所示。

                    8

同一磁芯上给定电感所需的匝数与一个绕组或两个绕组的匝数相同。唯一的区别是绕组被分成两个部分。为简便起见,我们可以使用标准电感器磁芯尺寸、匝数和铜线尺寸相同的标准来设计电感器。

磁芯的大小,可以采用“AP法”来计算。什么是AP法?篇幅有限,这里就不详细解释,需要详细了解的朋友可以留下邮箱,我单独发给您们。

下图为一个600W无桥PFC实例:

    依据上文可以做出一个无桥PFC线路,但是电源适配器做认证(如CE认证、UL认证)需要测试EMI,如下图所示为EMI测试中的一项  -------  传导干扰:

 


 

从图2中可以看出,此种架构是浮地,浮地有什么影响???浮地会导致EMI特别难处理,先写到这里,空点在与大家分享加两个二极管做成的实地型无桥PFC,EMI更好过,且仍然保留了无桥PFC高效率的特点。

电源已经在调试中了,之前比较忙,我会慢慢把内容跟新,包括设计时的一些想法、遇到的困难、各个波形等等,也请大神们多多指教


提前给大家看看我画的板子,一共由三块板子组成,包括一块大板(放插件元器件及小部分贴片元件),两块小板(一块为供电线路的贴片部分,另一块为PFCLLCSRCC/CV的控制部分)

 

下面是大板

 

下面是恒压供电部分的贴片板

 

 

下面是PFCLLCSRCC/CV的控制部分

 

电源网-璐璐在2017-12-26打赏该贴 +5 电源币 打赏理由:

三态输出5-SOT -40至125的单总线缓冲器门 用于PLC的6位、8通道集成模拟输入模块 如何着手电源设计
具有三态输出的16位总线收发器56-BGA 适用于PLC的双路通道隔离式通用模拟输入模块 创造一个带有较低额定输入电压控制器的150V非同步降压解决方案
具有三态输出的1位至2位地址驱动器-40至85 用于低电压比较器的双极性高电压差分输入接口 通过电源模块提高电动工具设计的性能
2017/12/25 16:38:26
2
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

 先给我自己点个赞,不管最后能做出什么效果

希望璐璐也给我点个赞,好不好? @璐璐

2017/12/26 09:49:51
7
电源网-璐璐
电源币:1079 | 积分:61 主题帖:145 | 回复帖:1350
LV9
军长
好,不光点赞,先来打赏,期待大作哈~~~~
2017/12/26 15:56:24
11
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长
璐璐 璐璐 快给我补上打赏理由
2017/12/25 16:43:21
3
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长
 

继续,继续

上回说到浮地会导致EMI特别难处理,下面说说加两个回程二极管更易过EMI的方式,先上图:

                                                加回程二极管的无桥PFC简化图

下面分析电路工作原理和设计考虑因数:

                                                                            9

电路工作原理

9 所示的无桥 PFC 的电路工作原理与升压型转换器很相似。当 VAC > 0(或 Va Vb > 0)时,主电流流过第一个升压转换器组件(L1S1D1C1)和负载,然后经由 DR2 返回电源。当 VAC < 0(或 Va Vb< 0),主电流流过第二个升压转换器组件(L2S2D2C2)和负载,然后经由 DR1返回电源。回程二极管允许两个开关 S1 S2 同时接通或关断,以保持升压转换器正常运作。

设计考虑因素

标准的 TM-PFC 控制器依赖电流检测和零电流侦测 (ZCD) 电路的感测结果作为驱动信号接通 / 关断的触发器。电流检测电路用于侦测电感器电流的峰值以关掉开关。ZCD 电路负责侦测电感器电流的零电流点以接通开关。

这里的DR1DR2为慢恢复型回程二极管减轻了 EMI 问题。而且,同一个脉宽调制 (PWM) 信号可用于驱动两个MOSFET,这极大地降低了控制的复杂性和控制器的成本。

                                                                        10

电流检测:

如图 10 所示,建议使用电流变压器取代电流检测器来进行电流检测。采用电流变压器的电流检测电路中的二极管可确保能够检测到来自期望开关引线的峰值电流,并且最大限度地减少电流检测电路中的功率损耗。这种方式还使得磁环绕线更加简单。

 

                                     

                                                                     11

11示出了无桥 PFC 的电感器电流波形。请注意,当一个电感器处理开关操作时,另一个电感器传导负电流。这是因为升压电感器的电感在 50/60 Hz 频率下是非常低的。所以,部分返回电流通过升压电感器(而不是回程二极管)流回到电源。


 

    篇幅有限,以上就简单分享了无桥PFC实现方式,下面继续我的500W电源设计。

外壳找好了,淘宝上买的,三十几块钱,请看图:


下面是原理图:

安规电容的放电芯片为PICAP013DG,CAPZero-产品系列 X电容放电.pdf

两级磁环共模加X电容滤波,空间有限,所以共模电感采用内置差模电感的绕制方式,

APFC芯片为飞兆的FAN6982,AN-6982.pdfCN.pdf

半桥LLC芯片为飞兆的FAN7621,FAN7621-D.pdf

SR同步整流芯片为STSR2000A,SRK2000A.pdf

CC/CV控制芯片为STTSM1014A,SOP-8封装,内置两个比较器和一个基准电压,en.CD00252755.pdf

所有MOS都加了一个驱动器,TIUCC27531DVB,SOT23-6封装,峰值电流可达2.5A拉电流和5A灌电流,虽然500W的电源上用不到,但占空空间不大,留着备用,ucc2753X 规格书.pdf

                                                                APFC原理图

 

                                                LLC 7621+SR SRK2000A+CC,CV原理图

 

                                                                辅助供电原理图

以上全部为高清无码大图,看不清可以点开查看,原理图有PDF版的可以下载查看,点这里:APFC原理图.pdfLLC 7621+SR SRK2000A+CC,CV.pdf辅助供电.pdf

下面为线路板:

 

2017/12/25 22:43:46
4
qinzutaim[版主]
电源币:2027 | 积分:144 主题帖:37 | 回复帖:3578
LV11
统帅
不错,等楼主玩无桥PFC
2017/12/26 08:42:13
5
zz052025[实习版主]
电源币:3892 | 积分:15 主题帖:22 | 回复帖:1066
LV8
师长
加油,看好你噢
2017/12/26 08:54:15
6
154600[实习版主]
电源币:274 | 积分:39 主题帖:24 | 回复帖:320
LV8
师长

坐等听课;

LLC能做到这么宽电压范围输出,可见楼主功力深厚,期待大作。

2017/12/30 19:30:24
13
大林电源
电源币:44 | 积分:0 主题帖:80 | 回复帖:608
LV9
军长
LLC能做到这么宽电压范围输出?!难!
2018/01/02 14:44:17
16
贴片机
电源币:8 | 积分:0 主题帖:120 | 回复帖:573
LV8
师长
LLC做宽电压输出确实很难...用它做LED驱动电源或充电器倒是不错的选择...
2018/01/02 15:05:08
17
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长
为什么呢?做这么宽会有什么影响?我现在发现轻载的时候峰值电流偏大,不知是不是你们所说的不能做宽输出的原因?轻载时频率约250K,重载时频率约80K。
2017/12/26 13:14:22
10
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长
谢谢你奥
2017/12/26 11:23:49
8
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

 画线路板的过程中截图了,做成了一个gif动图。 

本来画图过程精心做了一个一百多张图片组成的GIF动图给大家欣赏,可惜上传之后就只有一帧了,看不了太可惜了,谁需要的话留下邮箱我发给你们

==========================================================================================

下面给大家逐个分析原理图中各个部分的作用

这里的U1是给安规电容放电用的,安规要求断电1秒后,插头LN之间不能带电,所以需要给安规电容放电。可以直接在安规电容两端并联电阻,但是正常工作时电阻上一直有损耗,浪费了。这里的U1PICAP013DG可以识别断电,正常工作时不导通,断电后自动导通给安规电容放电。

  L2L3为共模电感内置差模电感,其实就是一边多绕几圈,多的那几圈就是差模电感。此处需要高磁导率,所以选着锰锌铁氧体最合适。

 

DR1、DR2为回程二极管

  这里是无桥PFC功率部分,请仔细看,这里的桥堆D2不是全桥整流的作用。PFC启动之前D2内部两颗二极管工作给后面的大电解预充电,减小MOSPFC电感的启动电流。正常工作时只有固定的两个二极管起回程作用。

    圆圈中的T1T2T3为检测峰值电流用的,其中T2T3是检测电感储能时的峰值电流,T1是检测电感退磁的峰值电流,两者合并在R6产生一个负电压信号,送入芯片。

   整个无桥PFC电路就是这样,U2U3MOS的驱动芯片,是德州仪器的UCC27531DBV,可提供2.5A的拉电流和5A的灌峰电流。

    这是一个风扇温控电路,J1接的是一个风扇。NTC装在MOS附近,温度升高后阻值下降,Q3的栅极电压升高,则Q3的漏极电流增加,风扇电流就增加,转速随之提高。

    这是半桥LLC电路,采用飞兆(飞兆已经被安森美收购)的FAN7621,调频加间歇工作模式,即重载和中载时通过调整频率,轻载时为间歇工作模式。

上管为自举电路供电,自举式电路具有简单和低成本的优点,但是,它也有一些局限。占空比和导通时间受限于自举电容CBOOT,刷新电荷所需时间的限制。这个电路最大的难点在于:当开关器件关断时,其源极的负电压会使负载电流突然流过续流二极管,该负电压会给栅极驱动电路的输出端造成麻烦,因为它直接影响驱动电路或PWM 控制集成电路的源极VS 引脚,可能会明显地将某些内部电路下拉到地以下。另外一个问题是,该负电压的转换可能会使自举电容处于过压状态。自举电容C32,通过自举二极管D9,被电源VDD瞬间充电。由于VDD 电源以地作为基准,自举电容产生的最大电压等于VDD 加上源极上的负电压振幅。。。。。。       说到自举电路里面有很多讲究,我时常在学习,我这里有一份写得很好的文档,需要的朋友可以留下邮箱我发给大家,中文版的哦。

  这里是同步整流部分,主控芯片为意法半导体的SRK2000A,其原理是检测MOS漏极-源极间的电压,当低于芯片设定的阀值时给对应MOS提供高电平打开。MOS内部是有体二极管的,就算控制器不提供开通信号也不会出什么问题,就是效率低点,好的控制器就是能及时打开MMOS提高效率、也能及时关闭防止直通。两路信号必须要互锁,即一个导通时另一个必须关闭,不然次级有短路可能(直通)。

  SRK2000A34脚为检测MOS漏极电压的,在主MOSQ8Q9)关闭时其漏极电压为2*Vo,这两个脚内部有稳压二极管嵌位电压为36V,对于咱们现在设计的输出60V,漏极电压最高为2*60=120V,超标了。所以此处必须加入一个嵌位不然就要炸芯片了,Q6Q7D10D11组成嵌位,且经过测试,这个嵌位不会对信号检测产生影响。嵌位电压=栅极电压-二极管压降,即13V-0.7V=12.3V

这里是反馈环路CC/CV控制部分。采用意法半导体的TSM1014A做主控芯片。内置两个比较器和一个基准电压。

仔细看大家会发现这个电路输出电压其实不能调到真正0V,输出电压经分压电阻后与基准电压比较,最低也只能调到等于Vref,准备下一版改进这个问题,方法是叠加一个等于Vref的电压上去,或者是基准电压外置,通过调整Vref来改变输出电压。

  这是给各个控制器供电用的,因为输出电压可调且范围很大,所以不能从PFC电感或LLC变压器上取,必须要单独供电电路。 芯片采用德州仪器的UCC28740,反激架构,次级TL432加光耦反馈。实际测试次级4路中负载偏差太大时不可靠,下一版准备换成咱们国内美芯晟科技的MT7970原边反馈来做供电。

  这里红色圈中的电路起什么作用?大家猜猜

2018/01/04 12:00:16
21
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长
@璐璐,为什么GIF动图不能动?
2017/12/26 11:25:23
9
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

2号坑,这是用来更新后续内容的,先占个位置,空点再写

  2个坑差不多够了

2017/12/29 14:03:39
12
zhangtao3b608
电源币:26 | 积分:0 主题帖:33 | 回复帖:541
LV8
师长
关注:学习
2017/12/30 21:43:36
14
心如刀割[版主]
电源币:1867 | 积分:36 主题帖:58 | 回复帖:850
LV9
军长
3D不错,跟贴学习
2018/01/02 10:10:19
15
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

请问各位大师,哪些品牌的MOS内置有快恢复二极管的?请推荐几个20A左右的,最好是国内的,因为国外的不好买

 

我现在使用慢恢复的MOS会出现上下管瞬间直通的情况,如下图所示:

 

 

 

MOS型号为:英飞凌的COOLMOS IPW60R120P7,恢复时间如下图:

 

Infineon-IPW60R120P7-DS-v02_00-EN.pdf

 

2018/01/02 19:11:34
18
孤独却很高傲
电源币:3 | 积分:4 主题帖:5 | 回复帖:40
LV4
连长
楼主,不如做个图腾totem pole pfc , SR+交错,效率过99
2018/01/03 10:42:30
19
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

你是指的这种图腾柱PFC? 有那么高效率吗?

2018/01/03 23:47:21
20
小飞2
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:4
LV1
士兵
写得好详细,存一下,慢慢学习
2018/01/16 11:55:12
22
马超超
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主  您好,能不能把AP法  发我一下   学习一下  616631242@qq.com   感谢
2018/01/16 16:07:54
23
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

邮件已发,请查收

AP法 是计算磁芯大小的一种计算方式。

2018/01/17 10:59:04
24
jb123456
电源币:2 | 积分:0 主题帖:3 | 回复帖:6
LV2
班长
请问  在3张图中 没看见12V-1???
2018/01/18 16:16:20
25
20年前
电源币:14 | 积分:23 主题帖:15 | 回复帖:5
LV4
连长

奥,不好意思,你说的是这个地方吗?忘记更改了,本来次级供电全部是12V的,后来改成了13V,这个地方忘记改了。

 

 

这里的Q6,Q7是起嵌位作用的

 

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