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基于 LCC 拓?fù)涞?2 相輸入 300W AC-DC LED 電源

發(fā)布時(shí)間:2021-03-09 來(lái)源:意法半導(dǎo)體,Akshat JAIN, Fabrizio DI FRANCO 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】近年來(lái),諧振變換器的熱度越來(lái)越高,被廣泛用于計(jì)算機(jī)服務(wù)器、電信設(shè)備、燈具和消費(fèi)電子等各種應(yīng)用場(chǎng)景。諧振變換器可以很容易地實(shí)現(xiàn)高能效,其固有的較寬的軟開(kāi)關(guān)范圍很容易實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān),這是一個(gè)關(guān)鍵的吸引人的特性。本文著重介紹一個(gè)以半橋LCC諧振變換數(shù)字控制和同步整流為特性的300W電源。
    
近年來(lái),諧振變換器的熱度越來(lái)越高,被廣泛用于計(jì)算機(jī)服務(wù)器、電信設(shè)備、燈具和消費(fèi)電子等各種應(yīng)用場(chǎng)景。諧振變換器可以很容易地實(shí)現(xiàn)高能效,其固有的較寬的軟開(kāi)關(guān)范圍很容易實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān),這是一個(gè)關(guān)鍵的吸引人的特性。本文著重介紹一個(gè)以半橋LCC諧振變換數(shù)字控制和同步整流為特性的300W電源。
 
圖1所示的STEVAL-LLL009V1是一個(gè)數(shù)控300W電源。原邊組件包括PFC級(jí)和DC-DC功率級(jí)(半橋LCC諧振變換器),副邊組件包括同步整流電路和STM32F334微控制器,其中STM32F334微控制器對(duì)DC-DC功率級(jí)(半橋LCC諧振變換器)和輸出同步整流進(jìn)行數(shù)字控制,而功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)基于L6562ATD臨界模式PFC控制器。
 
評(píng)估套件的工作模式可以按照需要設(shè)為恒定電壓(CV)模式或恒定電流(CC)。 板載快速保護(hù)電路提供所有的必備的保護(hù)功能,并且具有很高的可靠性。在270-480V交流輸入和整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),對(duì)評(píng)估套件進(jìn)行了性能測(cè)評(píng),試驗(yàn)結(jié)果證明,電能質(zhì)量參數(shù)在IEC 61000-3-2通用交流電源諧波標(biāo)準(zhǔn)的可接受范圍內(nèi)。
 
前言
 
本文提出的解決方案采用數(shù)字變換控制方法,而不是基于模擬IC的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。數(shù)控方法的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)置靈活,可以在任何給定條件下即時(shí)調(diào)整參數(shù)和工作點(diǎn),無(wú)需更改任何硬件,而模擬控制只能在特定范圍內(nèi)調(diào)整。數(shù)字控制方法只用一顆芯片就能實(shí)現(xiàn)調(diào)光方法(模擬或數(shù)字)、調(diào)光控制(0-10V,無(wú)線通信)、調(diào)光分辨率、溫度監(jiān)控、各種保護(hù)、通信連接等高級(jí)功能,因而系統(tǒng)成本更劃算,實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比模擬方法更容易。此外,在噪聲較高的工況下,數(shù)控方法可保證電源具有更高的穩(wěn)定性:數(shù)控電源不易受元器件公差、溫度變化、電壓漂移等因素的影響。
 
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圖 1: STEVAL-LLL009V1 評(píng)估套件
 
系統(tǒng)概述
 
STEVAL-LLL009V1評(píng)估套件有恒定電壓(CV)和恒定電流(CC)兩種模式,恒壓模式(CV)可將270V-480V交流電輸入轉(zhuǎn)為48 V恒定電壓、最大電流6.25 A的直流電輸出;恒流模式(CC)可以輸出36V-48V的6.25 A直流電流。通過(guò)撥動(dòng)主電源板上的開(kāi)關(guān)SW1,可以將評(píng)估套件設(shè)為CV模式或CC模式。DC-DC功率級(jí)叫做原邊電源層,而微控制器級(jí)叫做副邊電源層,微控制器向電隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器STGAP2DM發(fā)送控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)DC-DC功率級(jí)MOSFET開(kāi)關(guān)管。
 
圖2是STEVAL-LLL009V1評(píng)估套件的框圖,該評(píng)估套件嵌入了原副邊需要的拓?fù)潆娐泛驮骷?/div>
 
評(píng)估板提供一個(gè)0-10V的輸入,用于控制LED的亮度。僅當(dāng)評(píng)估套件在恒流(CC)模式下運(yùn)行時(shí),調(diào)光控制0-10V輸入才適用。STEVAL-LLL009V1評(píng)估套件實(shí)現(xiàn)了模擬調(diào)光方法,電流分辨率為1%。
 
評(píng)估板上還插接了一個(gè)有隔離放大器的子板,用于檢測(cè)PFC的輸出電壓,該輸出電壓也是DC-DC功率級(jí)的輸入電壓。PFC級(jí)基于MDmesh
 
TM K5功率MOSFET;為實(shí)現(xiàn)高能效,LCC變換器的半橋采用MDmesh TM DK5功率MOSFET。副邊同步整流(SR)電路采用STripFETTM F7功率MOSFET,以減少通態(tài)損耗。
 
評(píng)估套件配備了完善的安全保護(hù)功能,例如,開(kāi)路保護(hù)、短路保護(hù)、諧振電流保護(hù)、DC-DC功率級(jí)輸入欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。
 
基于VIPer267KDTR的離線反激變換器向原副邊電路供電,包括控制板、柵極驅(qū)動(dòng)器IC和信號(hào)調(diào)理電路。
 
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在寬輸入電壓和寬負(fù)載條件下,評(píng)估板取得了較高的電源能效,功率因數(shù)接近一,較低的THD%失真率,這歸功于意法半導(dǎo)體的功率器件的出色性能,以及使用STM32F334 32位微控制器實(shí)現(xiàn)的控制策略。
 
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圖 2:STEVAL-LLL009V1 評(píng)估套件框圖
 
諧振變換器
 
DC-DC功率級(jí)將PFC輸出電壓變?yōu)樗璧妮敵鲭妷骸?DC-DC功率變換級(jí)有多種拓?fù)淇捎?,例如,LLC諧振變換器。每種拓?fù)涠加衅涓髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)。充電器和LED照明之類(lèi)的應(yīng)用可能要求電隔離的DC-DC功率級(jí)處理較寬的輸入或輸出電壓。 考慮到這些要求,在STEVAL-LLL009V1的DC-DC功率級(jí)中實(shí)現(xiàn)了半橋LCC諧振拓?fù)洌鐖D3所示。
 
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圖 3:具有同步整流功能的半橋 LCC 諧振變換級(jí)
 
在STEVAL-LLL009V1中,并聯(lián)電容器Cp連接到變壓器的副邊,因此,同步整流的寄生電容和變壓器的漏感成為諧振回路的一部分。
 
PFC輸出電壓為大容量的Bulk電容器充電,以生成穩(wěn)定的DCBUS電流。半橋配置MOSFET開(kāi)關(guān)在GND和DC-BUS之間產(chǎn)生一個(gè)方波電壓波形, 并施加到由電容器Cr、電容器Cp(位
于副邊)、電感器Lr和隔離變壓器組成的LCC諧振回路。
 
以50%的PWM占空比和適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間驅(qū)動(dòng)LCC諧振變換器的半橋高壓MOSFET 開(kāi)關(guān)。因?yàn)榻普抑C振的儲(chǔ)能電流始終滯后于電壓波形(電感區(qū)域),所以MOSFET輸出電容在
下一次導(dǎo)通之前的死區(qū)時(shí)間內(nèi)有時(shí)間放電,并實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)操作,如圖4所示。PWM開(kāi)關(guān)頻率控制器用于調(diào)節(jié)諧振回路的電壓升高幅度,并將變換器的電壓保持在電感區(qū)域內(nèi),使開(kāi)關(guān)管在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持ZVS操作,并減少開(kāi)關(guān)損耗。
 
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圖 4:在 100%負(fù)載時(shí) HB-LCC 級(jí)波形
 
表 1:LCC 與 LLC 諧振變換器對(duì)比
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我們用基本諧波分析(FHA)法分析了評(píng)估套件半橋LCC諧振變換器的增益。
 
根據(jù)使用FHA方法得出的增益計(jì)算公式以及為STEVALLLL009V1評(píng)估套件半橋LCC諧振轉(zhuǎn)換器選擇的LCC參數(shù),我們得出增益與歸一化頻率的關(guān)系曲線,如圖5所示。
 
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圖 5:HB LCC 變換器-增益與歸一化頻率
 
同步整流(SR)
 
在圖3所示的變壓器副邊,輸入電壓波形由全橋配置的同步整流器整流,并由輸出電容器濾除干擾信號(hào),使波形平滑。 同步整流級(jí)由STM32F334微控制器進(jìn)行數(shù)字控制。
 
驅(qū)動(dòng)同步整流MOSFET開(kāi)關(guān)管需要檢測(cè)同步整流(SR)端點(diǎn)電壓(VDS_SR1 和 VDS_SR2)。下面討論MOSFET VDS(漏源電壓)的檢測(cè)和控制算法。
 
漏源電壓檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)由快速二極管和上拉電阻組成,上拉電阻連接微控制器(MCU)的電源電壓,如圖6所示。當(dāng)SRMOSFET漏極電壓高于MCU Vcc時(shí),給二極管施加反向偏壓,檢測(cè)電壓上拉至Vcc。 當(dāng)漏極電壓低于Vcc時(shí),給二極管施加正向偏壓,檢測(cè)電壓等于該電壓與正向?qū)ǖ亩O管的壓降之和。上拉電阻限制加正偏壓期間的電流。
 
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圖 6:同步整流 VDS檢測(cè)方法
 
首先,同步整流MOSFET的體二極管開(kāi)始導(dǎo)通,VDS檢測(cè)電路測(cè)量到VDS漏源電壓值,如果漏源電壓(VDS)低于設(shè)定閾值(通過(guò)MCU DAC外設(shè)設(shè)置的Vthreshold_ON – OFF),比較器輸出(下降沿)觸發(fā)MCU TIMER外設(shè)的不可重復(fù)觸發(fā)單脈沖模式,如圖7所示。MCU TIMER外設(shè)向相應(yīng)的同步整流柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送最小持續(xù)時(shí)間是TON min的脈沖信號(hào)。
 
當(dāng)漏源電壓(VDS)高于設(shè)定閾值(通過(guò)MCU DAC外設(shè)設(shè)置的Vthreshold_ON – OFF)時(shí),比較器輸出(上升沿)重置MCU TIMER外設(shè),并停止向相應(yīng)的同步整流柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖,如圖所示。 圖7。
 
MCU持續(xù)監(jiān)視DC-DC功率級(jí)(HB-LCC)頻率和輸出電流。如果頻率高于設(shè)置閾值及滯后值或者輸出電流低于設(shè)置閾值及滯后值,則微控制器(MCU)關(guān)閉同步整流級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)器,在此階段,MOSFET的體二極管進(jìn)行整流。當(dāng)頻率低于設(shè)置閾值及滯后值或者輸出電流高于設(shè)置閾值及滯后值時(shí),則微控制器(MCU)開(kāi)啟同步整流級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)器。
 
根據(jù)DC-DC功率級(jí)(HB-LCC)的工作頻率,可在MCU中的查找表中調(diào)整閾值(Vthreshold_ON – OFF)。
 
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圖 7:同步整流數(shù)字控制算法
 
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們計(jì)算了STEVAL-LLL009V1在不同負(fù)載下的總能效、功率因數(shù)(PF)和總諧波失真(THD)。當(dāng)負(fù)載為100%時(shí),能效高于93.5%。圖8、9、10和11分別描述了評(píng)估套件恒壓(CV)和恒
流(CC)模式的性能。
 
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圖 8:恒壓配置:在不同負(fù)載下輸入電壓與能效的關(guān)系
 
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圖 9:恒壓配置:在不同負(fù)載下輸入電壓與功率因數(shù)的關(guān)系
 
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圖 10:恒壓配置:在不同負(fù)載下輸入電壓與總諧波失真的關(guān)系
 
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圖 11:恒流配置:在不同 LED 壓降下輸入電壓與能效的關(guān)系
 
結(jié)論
 
本文提出的數(shù)控電源在恒壓(CV)和恒流(CC)兩種模式下都能提供300W的輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在寬輸入電壓和寬負(fù)載條件下,評(píng)估板取得了較高的電源能效,功率因數(shù)接近一, THD%失真率較低,這歸功于意法半導(dǎo)體的功率器件的出色性能,以及使用STM32F334 32位微控制器實(shí)現(xiàn)的控制策略。
 (來(lái)源:意法半導(dǎo)體,作者:Akshat JAIN, Fabrizio DI FRANCO)
 
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