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採用LCC拓撲的二相輸入300W交直流LED電源供應器
 

【作者: 意法半導體】   2021年05月26日 星期三

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本文探討如何利用半橋式無引腳晶片載體(LCC)諧振轉換器的數位控制功能,搭配同步整流,來打造300W電源供應器。數位控制的優勢在於程式設計上的彈性,能迅速針對任何狀況調整作業點的參數,而無須再調整硬體。


近年來諧振轉換器越來越受歡迎,被廣泛使用於伺服器、電信、照明和消費性電子等各種應用。諧振轉換器最吸引人的關鍵特色之一就是容易達成高效率,且柔性切換(soft switching)的範圍原本就大,適合高頻率作業。本文將探討如何利用半橋式無引腳晶片載體(LCC)諧振轉換器的數位控制功能,搭配同步整流,來打造300W電源供應器。


圖1中STEVAL–LLL009V1是一款數位控制的300W電源供應器。它的一次側是由功率因數校正(Power Factor Correction;PFC)和直流對直流功率級所組成(半橋式LCC諧振轉換器),二次側則有同步整流和STM32F334微控制器。直流對直流功率級(半橋式LCC諧振轉換器)和輸出同步整流是利用STM32F334微控制器進行數位控制,而功率因數校正(PFC)階段則是用L6562ATD以轉換模式運作。



圖1 : STEVAL-LLL009V1評估套件
圖1 : STEVAL-LLL009V1評估套件

還有評估套件,可依照需求在恆定電壓(Constant Voltage;CV)或恆定電流(Constant Current;CC)模式下運作。加上板載快速的保護電路,卻保能提供所有必要的保護功能且極度可靠。開發出來的這款評估套件,其效能已經過交流幹線評估,範圍從(270-480V)涵蓋整個負載範圍。電力品質參數在諧波標準IEC 61000-3-2容許極限範圍內,適合通用型交流幹線。


數位控制的優勢

我們建議的解決方案是採用數位轉換控制的方法,而非以類比IC為主的標準化設計。數位控制最主要優勢在於程式設計上的彈性,能迅速針對任何狀況調整作業點的參數,而無須在調整硬體,但類比控制只能調整特定範圍。


調光方式(數位或類比)、調光控制(0-10V、無線通訊)、調光解析度、溫度監測、各種保護及通訊功能等先進功能,成本效率往往高出許多,這是因為它們只要單一IC即可建置,且相較於類比控制,使用數位技術比較容易建置。


除此之外,針對雜訊狀況,數位控制保證能提供優於類比的穩定度:對零件的容許偏差、溫度變化和電壓漂移,數位控制解決方案都相較不敏感。


系統概要

STEVAL-LLL009V1評估套件將270-480V的交流幹線輸入電壓,在恆定電壓(CV)模式下轉換為48V直流、6.25 A最大電流,恆定電流(CC)模式下則可提供6.25 A電流,輸出電壓從36到48V。使用裝在主要配電盤上的SW1切換開關,評估套件即可配置為CV或CC模式,


直流對直流功率級指主要接地,微控制器則為次級接地。因為有STGAP2DM電流隔離半橋閘極驅動器,能利用來自微控制器的控制訊號,驅動直流對直流功率級的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。


圖2為STEVAL-LLL009V1評估套件的原理方塊圖,上面所嵌入的拓撲和零件會用在不同部分。



圖2 : STEVAL-LLL009V1評估套件的原理方塊圖
圖2 : STEVAL-LLL009V1評估套件的原理方塊圖

評估套件上佈建了0-10V輸入,以控制LED亮度。0-10V的調光控制,只有在評估套件處於恆定電流模式下時才適用。類比調光建置於STEVAL-LLL009V1評估套件,電流解析度為1%。


透過一個擁有隔離放大器的子卡,就能達到感測PFC輸出電壓的目的,而這也是直流對直流功率級的輸入電壓。


PFC階段是利用MDmesh K5 Power MOSFET,而LCC轉換器的半橋則採用MDmeshTM DK5 Power MOSFET以提高效率表現。二次側部署有STripFET F7 Power MOSFET進行同步整流(Synchronous Rectification;SR),以減少傳導損失。


評估套件配備有完整的安全佈建,例如開路、斷路、諧振電流保護、直流對直流功率級輸入低電壓和過量電壓保護。


主要和次要部分都配有離線式返馳電路,採用VIPer267KDTR能提供調整電壓到控制電路板、閘極驅動器IC和訊號調節電路。


實驗結果顯示在寬輸入電壓和負載狀態下,能提供高效率、接近1的功率因數,總諧波失真(THD)也比較低,這是拜ST功率產品效能之賜,以及使用32位元STM32F334微控制器所建置的控制策略。


LCC諧振轉換器

直流對直流功率級會將PFC輸出電壓轉換成期望的輸出電壓。還有各式各樣的拓撲可用於直流對直流轉換,尤其是無引腳層板載體(LLC)諧振轉換器和LCC諧振轉換器等。每種拓撲各有優缺點。像電池充電器、LED照明這樣的應用,隔離的直流對直流功率級可能會需要處理寬輸入或輸出電壓範圍。考量以上需求,半橋式LCC諧振拓撲便被建置在STEVAL-LLL009V1的直流對直流功率級,如圖3所示。



圖3 : 同步整流的半橋式LCC諧振階段
圖3 : 同步整流的半橋式LCC諧振階段

在STEVAL-LLL009V1裡,平行電容器Cp連接到變壓器的二次側。因此,同步整流的寄生電容和變壓器的漏電感會變成共振槽的一部分。


PFC輸出電壓為主要的儲能電容器充電,以便產生一個穩定的直流匯流排。半橋式配置MOSFET進行轉換,在接地和直流匯流排之間產生方形電壓波形。方形電壓則是用在電容器Cr、電容器Cp(位於二次側)、電感器Lr和隔離變壓器所組成的由LCC共振槽電路。


LCC諧振轉換器高電壓MOSFET/開關的半橋,是由50%脈波寬度調變(PWN)工作週期和適當的空檔時間所驅動。如圖4所示,因為接近正弦的共振槽電流一直落後電壓波形(電感區),在下次開機前的空檔時間裡,MOSFET輸出電容就有時間放電,達到零電壓切換(Zero Voltage Switching;ZVS)。PWN切換頻率控制則用來調整共振槽的電壓增益,讓轉換器維持在電感區。這讓整個運作範圍都能維持零電壓切換,減少切換損失。



圖4 : 100%負載下半橋式LCC階段的波形
圖4 : 100%負載下半橋式LCC階段的波形

我們使用了基諧波分析法(Fundamental Harmonic Analysis;FHA),來分析評估套件中半橋式LCC諧振轉換器的增益。


根據使用基諧波分析法,以及為STEVAL-LLL009V1評估套件中半橋式LCC諧振轉換器所選LCC參數而得出的增益方程式,增益與正規化頻率之間的圖形請見圖5。



圖5 : 半橋式LCC轉換器—增益vs正規化頻率
圖5 : 半橋式LCC轉換器—增益vs正規化頻率

同步整流(SR)

如圖3所示,在變壓器的二次側,輸入電壓波形為全橋式配置裡的同步整流器所校正,且因輸出電容而趨於平滑化。同步整流階段是利用STM32F334進行數位控制。


還可感測同步整流(SR)階段的節點電壓(VDS_SR1和VDS_SR2),以驅動同步整流階段的MOSFET。接下來將說明,標示為VDS的MOSFET(洩流源電壓)感測及控制運算法。


感測網路是由一個快速二極體,和連結到微控制器(MCU)供應電壓的拉升電阻器所組成,如圖6所示。當同步整流MOSFET洩流源電壓高於微控制器Vcc,二極體會變成逆偏壓,感測到的電壓就會拉升到Vcc。當洩流源電壓低於Vcc,二極體會變成為正偏壓,感測到的電壓就相當於這裡的電壓,加上發生正偏移之二極體的電壓降。正偏壓期間的電流,則會受限於拉升電阻器。



圖6 : 同步整流VDS的感測技術
圖6 : 同步整流VDS的感測技術

最初是同步整流MOSFET的內接二極體開始導電,感測到VDS。因為建置了VDS感測技術,當電壓(VDS)降到設定臨界值(Vthreshold_ON – OFF,由微控制器數位類比轉換器週邊所設定)以下,比較器輸出(下降邊緣)會觸發微控制器計時器週邊進入單脈非可觸發模式,如圖7所示。



圖7 : 同步整流數位控制運算法
圖7 : 同步整流數位控制運算法

MCU計時器週邊會向對應的同步整流閘極驅動器發出一個脈衝。這個脈衝會維持一段最低限度的時間(TON min)。


當電壓(Vthreshold_ON–OFF,由微控制器數位類比轉換器週邊所設定)增加到設定臨界值以上,比較器輸出(上升邊緣)會重新設定微控制器計時器週邊,同樣地脈衝就會停在相對應的同步整流閘極驅動器,如圖7所示。


微控制器持續監測直流對直流功率級(半橋式LCC)頻率和輸出電流。若電流因遲滯而超出設定臨界值,或輸出電流因遲滯低於設定臨界值,微控制器就會禁能閘極驅動器,進入同步整流階段。還好這個階段有MOSFET內接二極體可進行整流。當遲滯造成頻率低於設定臨界值,或遲滯造成輸出電流高於設定臨界值,就會致能同步整流閘極驅動器。


根據當時的直流對直流功率級(半橋式LCC)操作頻率,可以從微控制器裡儲存的查找表去調整臨界值(Vthreshold_ON – OFF)。


實驗結果

我們已經算出STEVAL-LLL009V1在不同負載下的整體效率、功率因數(PF)和總諧波失真(THD)。100%負載下的效率超過93.5%。圖8~11呈現的是評估套件在恆定電壓(CV)與恆定電流(CC)配置下的效能。



圖8 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs效率(%)
圖8 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs效率(%)

圖9 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs功率因數
圖9 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs功率因數

圖10 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs總諧波失真
圖10 : 恆定電壓配置:各種負載下輸入電壓vs總諧波失真

圖11 : 恆定電流配置:LED電壓降時輸入電壓vs效率
圖11 : 恆定電流配置:LED電壓降時輸入電壓vs效率

本文所介紹的數位控制電源供應器,能在恆定電壓(CV)或恆定電流(CC)模式下提供300W功率輸出。實驗結果顯示在寬輸入電壓和負載狀態下能提供高效率、接近1的功率因數,總諧波失真(THD)也比較低,這是拜ST功率產品效能之賜,以及使用32位元STM32F334微控制器所建置的控制策略。


(本文作者 Akshat JAIN、Fabrizio DI FRANCO任職於意法半導體)


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