比手机还小!240W半桥高功率密度LLC电源设计全过程

本次设计的也是一款模块电源,总功率在240W左右,所以功率密度也会相对大一点,所以叫“高功率密度”电源咯;准备采用TI最新的UCC28056作为PFC控制器以及安森美的NCP1399作为LLC控制器,同步整流将采用熟悉的恩智浦TEA1995,这个比较好用。

输入电压:90-264Vac

输出电压:24Vac

输出电流:10A

目标效率:94%(高压满载)

相关保护:OCP、OVP、SCP

PCB尺寸:5*9.5cm(暂定)

先来欣赏一下前段时间设计的其他作品吧,后续这个项目也会做成该模样的,敬请期待吧:

不大不小,可以说比你手中的手机还小,但是要厚。

图中的打火机就是日常生活中使用的那种。

第一版PCB如下:

第二版PCB如下:

第一版样机如下:

下面先给自己一个条条框框吧,不然都不知道要做多大了。

上图这个是PCB尺寸:50*95MM;

高度初步设计是不超过30MM; 按这个参数计算下来,功率密度就差不多有那么高了。

初步规划了一下PFC的原理图,采用的主控是TI刚刚推出不久的UCC28056,还没有调试过,不懂有没有挑战性。

大概布局就是这样了,准备采用双面板设计。

经过一整晚的战斗,是战斗到十二点多了,终于搞成这样了;再有一个晚上就基本差不多可以收工了。

先简单说明一下:PFC电感PQ2016,谐振电感PQ2016,主变压器EFD30。

PCB基本画好了,再优化下,摆放下丝印就可以开始打样了。

上下层的器件布局图,插件方面比较紧凑,贴片方面还好。

第一版PCB基本是这样了,已经基本弄好了,准备打样了。

打样的PCB回来了;有时间就开始焊接了。

该有的贴片元器件基本焊接好了,遗憾的是前段时间买的1399找不着了,还得重新购买了……

插件方面也正在备货中……等待……

有货的插件也基本焊接好了;剩下PFC电感和谐振电感以及变压器得周末有时间才能绕制了;插件方面的用料和前段时间设计的基本一样的。

开始折腾PFC电感和谐振电感了;都采用PQ2016的骨架和磁芯,但是骨架要做一些处理。

如上图所示,直接将针脚部分切掉,这样才安装的下;然后直接飞线到PCB上,打胶固定。

由于都采用PQ2016,所以绕制起来也方便多了;初步PFC电感采用0.1*30P绕制42T;谐振电感采用0.1*60P绕制28T。

暂时设计PFC电感量240UH,根据实际调试再做优化;LLC谐振电感暂时为115UH,也根据实际调试再优化。

板子基本焊接好了,先调试了一下PFC;直接上电没有炸鸡,带了个小载40W左右,这是输入115Vac情况下测试PF值0.992;230Vac高压输入情况下,40W左右其PF值也达到了0.9以上。

成品秀一下,请大家欣赏……

忘记拍高清照片了,就将就看吧;这个PFC IC待机时基本工作在burst mode,所以其待机功耗比较低。期待后续更多的测试吧。

今天又折腾了半天,输出基本上正常了,当中也遇到了一些小问题;首先是变压器设计的不太合理,VCC绕组电压太高,会出发1399过压保护;还有就是空载时1399的频率会自动跑高,然后我们继续优化。

这个是今天调试时,随手拍的一张照片;黄色是下半桥驱动波形,蓝色是VCC电压,绿色是谐振电容电压波形;由于1399的VCC最大是20V,所以明显是触发过压保护了。

就昨天VCC的问题,又重新绕制了变压器(EFD30)

搞了半天把变压器绕好;上机测试,发现还是不太对劲;只能抽时间再继续折腾了

先来秀一下调试现场吧,有点凌乱,设备也有点简陋,就将就看看吧……

先来看看目前的板子情况,谐振电感和谐振电容还没有最终确定,所以挂在上面;输出部分先采用了肖特基作为整流,同步整流还没有上;同时输出的共模电感有拆除,上周就是由于共模电感短路(绕制时漆包线掉漆了)导致调了好久。

这是在输入230VAC情况下输出24V2.5A;

PF=0.979

效率:60.21/68.4=88.03%(长线接入电子负载,肖特基整流)

下图是此时的波形;

其中:

黄色:半桥下管VGS波形;

紫色:谐振电容电流波形;

绿色:谐振电容电压波形。

这是在输入230VAC情况下输出24V5A;

PF=0.991

效率:120/132=90.91%(长线接入电子负载,肖特基整流)

下图是此时的波形;

其中:

黄色:半桥下管VGS波形;

紫色:谐振电容电流波形;

绿色:谐振电容电压波形。

这是在输入230VAC情况下输出24V7.5A;

PF=0.99

效率:179.46/197.6=90.81%(长线接入电子负载,肖特基整流)

下图是此时的波形;

其中:

黄色:半桥下管VGS波形;

紫色:谐振电容电流波形;

绿色:谐振电容电压波形。

这是在输入230VAC情况下输出24V9A;

PF=0.993

效率:214.97/236.9=90.74%(长线接入电子负载,肖特基整流)

由于还没有优化,目前加载带9A多点就开始刹车了(OCP),所以只能测试到9A了;

后续优化下OCP就可以10A输出了。

下图是此时的波形;

其中:

黄色:半桥下管VGS波形;

紫色:谐振电容电流波形;

绿色:谐振电容电压波形。

从上述目前波形来看,谐振变换器并不是工作在最佳状态,其实大家都知道,满载时开关频率f=最大谐振频率fr时是最佳的,那时的电压电流波形都是很纯正的正弦波,这时的效率也是最高的;目前工作在f>fr,其T(开关周期)<Tr(谐振周期),所以导致谐振电流呈现现在的波形。

面对目前的状况,可以从如下几个方面改善:

1.降低输入电压(PFC输出电压);

2.将负载继续加大;

3.改变Cr和Lr;

4.改变变压器匝比。

有经验的工程师其实会发现,修改变压器是最直接有效的方法。

周末又折腾了一下电源;现在看到的PFC的测试波形;输入115Vac情况下带载2.5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.994(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入115Vac情况下带载5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.990(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入115Vac情况下带载7.5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.993(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入115Vac情况下带载10A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.994(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

看完了115V输入情况,接下来再看看230V的情况:

输入230Vac情况下带载2.5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.976(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入230Vac情况下带载5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.991(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入230Vac情况下带载7.5A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.994(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

输入230Vac情况下带载10A时的波形,其中黄色-驱动波形,紫色-电流波形,绿色-电压波形;此时测的其PF=0.992(采用GPM-8212功率计,输入端为1KW隔离调压器供电)

继续折腾了一下这个电源;重新撸了一个变压器,所以谐振波形方面有所改善;效率方面也有一点点的提示。上面拍摄的是230Vac输入,输出满载的情况;可以看到其谐振波形基本正弦化;其效率为:240/255.8*100%=93.82%

其中:黄色-半桥下管驱动波形;紫色-谐振电容电流波形;绿色-谐振电容电流波形。

235Vac输入的情况下,带满载后,调压器显示224Vac;此时看到的是对高压PFC的测试,此时的PF=0.992;

上图是PFC测试时的接线方式;

上图是调机时随便拍的,某宝买的高压电容放电笔用着还不错,工程师的必备武器,麻麻再也不用担心被电了。

下图是示波器的截图;(其中黄色-MOS驱动波形;绿色-输入电压波形;紫色-输入电流波形)

下面将进行该电源的平均效率测试:

输入235Vac,输入24V2.5A时的效率:

60.17/66.5*100%=90.48%

下图中:黄色-下管VGS波形;绿色-谐振电容电压波形;紫色-谐振电容电流波形。

输入235Vac,输入24V5A时的效率:120.21/129.2*100%=93.04%

下图中:黄色-下管VGS波形;绿色-谐振电容电压波形;紫色-谐振电容电流波形。

输入235Vac,输入24V7.5A时的效率:180.17/191.1*100%=94.28%

下图中:黄色-下管VGS波形;绿色-谐振电容电压波形;紫色-谐振电容电流波形。

输入235Vac,输入24V10A时的效率:240/254.3*100%=94.37%

下图中:黄色-下管VGS波形;绿色-谐振电容电压波形;紫色-谐振电容电流波形。

60.17/66.5*100%=90.48%

120.21/129.2*100%=93.04%

180.17/191.1*100%=94.28%

240.00/254.3*100%=94.37%

其平均效率为:93.04%

该模块电源的第一版到此也接近尾声了,PCB上有一些改动,最近会再打样一版;相关测试视频也在剪辑中了,稍后也上传上来,大家敬请期待吧

第二板的PCB已经发去打样了,其改动不大,优化了一些细节;

下面是最终原理图,需要的可以看看。

第二版的PCB打样已经回来了;如时间允许的话,还可以调调哈;

由于时间关系,第二版可能暂时是调试不了;其实第二版也没有啥的大改动,只是稍微改动了一下下。

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  • dy-2GYEITde 2星期前
    大佬,可以分享一下资料吗
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  • dy-8nMfUrKL 3星期前
    大佬,资料可以发我学习吗,谢谢
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  • dy-9QTV6UZW 2021-05-12 15:22
    请教一下
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  • CB2332131 2021-01-13 08:18
    有套件吗?,我想整一套试试
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  • 一起玩吧 2021-01-12 21:19
    不错
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  • lizhiyoudyw 2021-01-12 09:37
    精彩,很多东西还没接触到,最怕的就是计算变压器
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  • 星球居民-e6kAxsbs 2021-01-01 18:07
    谢谢大佬,原理图和pcb能上传下吗?
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  • 川理学子 2020-11-11 00:20
    哈哈哈,大佬,你把你论坛上的东西搬到星球上来啦?
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  • 阳光帝国 2020-10-29 10:28
    精彩,很多东西还没接触到
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  • mysunuy 2020-10-21 19:11
    240W,输入90~264。低压输入的时候,PFC扛得住吗?
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  • dony_tang 2020-10-20 18:55
    思路清晰,受益匪浅
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  • dy-s9jSXrmb 2020-08-24 22:57
    Efd30 是不是有点小了
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  • znz23456 2020-08-19 16:39
    已点赞。相关文件能否分享
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