低/中/高功率电源方案设计框图与产品选型指南,一文搞定!

安森美 2024-04-12 19:00

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几乎所有电子设备中都包含开关电源 (SMPS)。这种电源尺寸很小但效率很高,是比较广泛使用的电源之一。SMPS 集成了可控开关、控制 IC 和无源元件,为负载提供可持续的可靠输出。


DC-DC 和 AC-DC 电源转换是比较常见的两种电源类型。大多数负载需要直流输入,例如手机、笔记本电脑和数据中心内高功率服务器中的芯片。


DC-DC 转换器可将直流输入转换为所需的直流输出,是 SMPS 的核心器件。AC-DC 转换器(即所谓的离线转换器)将电网的交流输入整流为直流,作为次级 DC-DC 转换级的输入。但这样的输入可能不太稳定或比较多变,因此我们需要使用一个控制 IC 来监测电路、提供反馈并同时控制开关,从而确保产生稳定的直流输出功率。


典型电源

01
电源的发展趋势是什么?

提高效率始终是 SMPS 的核心追求。这里的效率是指 SMPS 从电网吸收的功率与向负载提供的有用功率之间的比值。然而,如果输入线路电流和电压异相或波形不同,那么消耗的视在功率可能会显著提高,导致效率大幅降低。


解决异相问题的方法称为 PFC(功率因数校正)。在交流输入和次级 DC-DC 转换器之间插入 PFC 级,可以减少谐波电流失真并提高功率因数,从而保障稳定的直流输出。如今,电气设备必须符合相关法规要求,例如美国/加拿大的 IEC61000-3-2、欧盟的 EN61000-3-2 和中国的 GB/T 14549-93 等,以确保在不同输入电压和负载电流下实现高功率因数和低总谐波失真。



此外,新的能效标准规定了更广泛工作功率范围内的能效等级。例如,80 PLUS® 计划推动在 20% 至 100% 负载条件下实现 80% 或更高的效率,并在 100% 负载条件下实现 0.9 或更高的功率因数。该计划的最高等级(称为“80+ 钛金”标准)规定,在 20% 负载时效率至少要达到 92%,在 100% 负载时效率至少要达到 94%。


为了满足世界各地不断增长的能源需求,以及市场对更小、更高效电源的持续追求,提高功率密度至关重要。此外,功率密度越高,就能更有效地管理热量、抑制 EMI 干扰,以及进一步提高系统工作频率,从而缩小无源元件的尺寸。
02
安森美电源方案

电源设计是一个永恒的课题。新的要求和技术层出不穷,电源设计总会遇到形形色色的挑战。例如,电源和无源元件、拓扑、成本控制、控制器选型、系统监测与保护、EMI 和噪声、PCB 布局、热管理等。因此,我们必须要根据实际需求进行选择。


安森美 (onsemi) 是领先的电源方案提供商,提供全面的电源器件组合,包括电源开关、离线控制器、栅极驱动器、稳压器等。我们还提供评估板和系统级仿真工具,可帮助缩短开发时间。

低/中功率电源装置/支持 PD3.1 的电池充电器典型框图


高功率/高功率密度电源装置典型框图


03
特色产品

👉多模式图腾柱 PFC 控制器 NCP1681

  • 固定频率 CCM,具有恒定导通时间 CrM 和谷底开关频率折返功能

  • 交流电压监测和相位检测

  • 新颖的电流感测方案

  • 欠压锁定、热关断、逐周期限流

  • 目标应用 - 超高功率密度 PSU


👉LLC 控制器,带同步整流控制器 NCP4390

  • 用于 LLC 谐振转换器的次级侧 PFM 控制器,带同步整流器控制

  • 宽工作频率范围(39 kHz~690 kHz)

  • 通过补偿削减(频移)实现非 零电压开关 (ZVS) 预防 (NZP)

  • 可编程死区时间


👉EliteSiC SiC MOSFET,650V NTH4L015N065SC1

  • VBR 典型值=650V,RDS(ON) 典型值=15mohm

  • 开尔文源

  • 高速开关和低电容


04
评估板

👉3kW 高密度 PSU 3KW-TPLLC-GEVB

  • 高功率密度拓扑 - 图腾柱PFC+LLC

  • 基于碳化硅

  • Vin=80 - 230V

  • Vout = 48 V, Iout = 62.5 A

  • 20% - 100% 负载时功率因数>0.98

  • 100% 负载时系统效率>98.4%

  • 尺寸=280×110×38 mm

  • 精选产品

    • MM 图腾柱PFC控制器 – NCP1681

    • 带同步整流控制器的 LLC 控制器 – NCP4390

    • 隔离式半桥栅极驱动器 – NCP51561

    • 650V SiC MOSFET – NTHL045N65SC1

• 应用:工业 PSU


05
系统级仿真工具

安森美的 Elite Power 在线仿真工具能够在开发周期的早期阶段进行系统级仿真,为复杂的电力电子应用提供宝贵的技术洞见。Elite Power 仿真工具能够高精度呈现 EliteSiC 产品系列为所设计电路带来的各方面优势,包括 EliteSiC 技术的制造边界工况。

  • 适用于硬开关和软开关仿真的 PLECS 模型

  • 涵盖 DC-DC、AC-DC、DC-AC 应用,包括工业和汽车领域的 32 种电路拓扑结构

  • 支持绘制损耗和热数据图表

  • 采用灵活设计并快速提供仿真结果

  • 基于应用和拓扑结构的产品推荐功能


Elite Power 仿真工具:仿真结果和波形

PLECS 模型自助生成工具赋予电子工程师超高自由度,帮助他们轻松自定义高保真系统级 PLECS 模型。工程师既可以直接在自己的仿真平台中使用模型,也可将模型上传到安森美 Elite Power 仿真工具进行仿真。

  • 适用于硬开关和软开关仿真的 PLECS 模型

  • 自定义应用寄生参数根据用户指定的应用电路寄生参数进行调整,可显著影响导通损耗和开关损耗

  • 高密度宽表根据用户指定的电气偏置和温度条件进行调整,用于导通损耗和开关损耗数据

  • 边界模型可在产品的典型条件和边界条件下发挥效用,使用户能够跟踪在较差、标称和较佳制造条件下的导通损耗和开关损耗,进一步掌握应用性能表现


PLECS 模型自助生成工具

如何选择 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具

PLECS 模型自助生成工具 - 硬开关和软开关选择(左)

PLECS 模型自助生成工具 - 密集损耗表(右)



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安森美 安森美(onsemi, 纳斯达克股票代码:ON)专注于汽车和工业终端市场,包括汽车功能电子化和安全、可持续能源网、工业自动化以及5G和云基础设施等。以高度差异化的创新产品组合,创造智能电源和感知技术,解决最复杂的挑战,帮助建设更美好的未来。
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