PFC-Schaltungsdesign und Layout für Stromversorgungssysteme

So sehr wir es uns auch wünschen, die Stromzufuhr in eine Leiterplatte ist nicht immer ein sauberes Gleichstrom- oder Sinussignal. Gleichstrom aus einem Gleichrichter wird einige Welligkeiten vom Ausgangskondensator haben, und Wechselstromsignale können Rauschen enthalten oder weniger als perfekte Sinuswellen sein. Es gibt einige Möglichkeiten, diese Probleme zu korrigieren, entweder durch die Auswahl des richtigen Filterkreises oder durch Formung der Eingangswelle, um die maximale Leistungsabgabe an eine Last im System zu erzeugen.

Wenn Sie mit einem Wechselstromsystem arbeiten, benötigen Sie wahrscheinlich eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC), um entweder Ihren Strom-/Leistungsbedarf am Netzteil zu reduzieren oder die verfügbare Leistung für die Last zu erhöhen. Obwohl PFC-Schaltungen als ICs verfügbar sind, können sie den Anforderungen von Systemen mit höherer Spannung/höherem Strom nicht gerecht werden. Sie benötigen Ihr eigenes PFC-Schaltungsdesign und Layout auf der Leiterplatte, um Ihren Leistungsfaktor nahe 1 zu erhöhen. Hier erfahren Sie, wie Sie Ihre eigene PFC-Schaltung entwerfen und simulieren können, und wir geben Ihnen einige Layout-Tipps für Ihre PFC-Schaltung.

Was ist Leistungsfaktorkorrektur?

Der Leistungsfaktor eines Netzteils ist das Verhältnis der tatsächlich verbrauchten Leistung zur Scheinleistung (in RMS-Volt und Ampere), und diese Zahl reicht von 0 bis 1. Ein typischer Schaltregler in einem Stromversorgungsschaltkreis, der an eine AC-Quelle mit einem Gleichrichter angeschlossen ist, wird Strom in kleinen Schüben ziehen, sobald die Eingangsspannung sich ihrem Höhepunkt nähert. Je mehr der vom Eingangsstromkreis gezogene Strom von der sinusförmigen Spannungswelle abweicht, desto kleiner wird der Leistungsfaktor sein. Der Leistungsfaktor ist im Grunde genommen ein weiteres Maß für die Energieeffizienz.

Als Beispiel nehmen wir an, ein Regler ist 96% effizient; wenn das gesamte Netzteil einen Leistungsfaktor von 60% hat, dann ist die tatsächliche Effizienz 96% x 60% = 57,6%. Das Ziel der Verwendung eines PFC-Schaltungsentwurfs besteht darin, den Leistungsfaktor so nah wie möglich an 1 zu bringen. Wenn der Leistungsfaktor näher an 1 liegt, wird die tatsächlich verbrauchte Leistung näher an die Scheinleistung kommen, die man unter Verwendung der idealen RMS-Eingangsspannung und -strom berechnen würde.

Wenn Sie planen, Ihr neues Produkt in Europa zu verkaufen, müssen Sie sicherstellen, dass Sie PFC in Ihrer Stromversorgung anwenden. Die wichtigste Vorschrift ist EN61000-3-2, die für Stromsysteme mit mindestens 75 W Eingangsleistung gilt und bis zu 16 A am Hausanschluss ziehen kann. Diese Vorschrift legt auch Grenzwerte für die gesamte harmonische Verzerrung (THD) bis zur 39. Harmonischen fest, gemessen am Eingang eines Reglers. Dies veranschaulicht den weiteren Vorteil eines PFC-Schaltkreises; eine Stromversorgung mit einem größeren Leistungsfaktor wird eine THD nahe Null am Eingang des Gleichstromreglers haben.

PFC-Schaltungsentwurf und Topologie

Ein PFC-Wandler kann mit Boost- oder Buck-Topologie implementiert werden. Es gibt auch eine Buck-Boost-Topologie, obwohl diese nicht so beliebt ist, da die Eingangsspannung normalerweise erhöht oder verringert und auf einem konstanten Niveau geregelt werden muss. Die beiden Versionen Buck und Boost sind unten dargestellt. Wenn diese Schaltpläne dem entsprechen, was Sie von einem Standard-Buck- oder Boost-DC-DC-Wandler erwarten würden, dann liegen Sie richtig! Die Gesamtschaltpläne sind identisch, aber die Auswahl der Komponenten für diese Schaltungen beeinflusst die Erhöhung des Leistungsfaktors, die durch den Schaltkreis bereitgestellt wird.

Was macht also einen PFC-Schaltkreis anders als einen typischen Schaltregler? Der kritische Punkt im Design eines PFC-Schaltkreises ist die Wahl des richtigen Betriebsmodus, was die Auswahl des richtigen Induktors in diesem Schaltkreis beinhaltet. Der Induktor bestimmt, wie schnell der Strom durch den Induktor steigt, wenn die Eingangsspannung ansteigt, während der MOSFET eingeschaltet ist. Sobald der MOSFET ausgeschaltet wird, liefert der Induktor eine Gegen-EMK, die dann mehr Strom zur Last leitet.

Die Welligkeit der Induktorwelle wird durch die Größe des Induktors bestimmt, genau wie bei einem typischen Schaltregler. Die Welligkeit wird größer sein, wenn der Induktor kleiner ist. Die Kontrolle über die Welle wird aufrechterhalten, indem ein PWM- oder PFM-Puls an den MOSFET angelegt wird. Die drei unten gezeigten PFC-Schaltkreismodi werden durch die Größe des Induktors und die Art der Modulation bestimmt, die am MOSFET angewendet wird. Die folgende Tabelle fasst die Modulation und die Strommerkmale in jedem Modus zusammen.

Um PWM oder PFM ordnungsgemäß an den schaltenden MOSFET zu liefern, müssen Sie eine Rückkopplungsschleife zu einem PWM/PFM-Controller implementieren. Es gibt einige Spezial-ICs, die zu diesem Zweck verwendet werden können, auch bei hohen Spannungen.

PFC-Layout: Behandeln Sie es wie einen Hochleistungs-Schaltregler

Vielleicht ist der wichtigste Punkt, den man beim Arbeiten mit jedem Schaltwandler beachten sollte, die Isolierung von Schaltrauschen zu berücksichtigen. Jedes Rauschen von einem lauten Schaltregler oder PFC-Schaltkreis, insbesondere bei hohem Strom, wird starke magnetische Felder erzeugen, die ein Rauschsignal in einem nachgeschalteten Schaltkreis induzieren können. Beachten Sie, dass galvanische Isolation leitungsgebundene EMI entfernt, aber nicht abgestrahlte EMI, daher müssen Sie jedes induzierte Rauschen mit einer Isolierstruktur für Niedrigpegelschaltungen verhindern, wie z.B. ein Via-Zaun oder Abschirmung. Dies ist seit langem ein bekanntes Problem im Design von Stromversorgungen, sowohl für Hochspannungsversorgungen als auch für Regler-ICs in der Niedrigleistungselektronik.

Weitere zu berücksichtigende Punkte sind das Design des PWM-Signals oder PFM-Signals, Ihr Stackup-Design und andere Techniken zur Reduzierung von abgestrahlter EMI. Wenn Sie mit hohen Spannungen arbeiten, müssen Sie auch sicherstellen, dass Sie den angemessenen Abstand zwischen leitfähigen Elementen in Ihrem PCB-Layout festlegen, um ESD zu verhindern. Diese Freiräume sind in den IPC-2221-Standards definiert. Schauen Sie sich diese Artikel an, um mehr zu erfahren:

• SMPS-Schaltungsentwurf: Welche Schaltfrequenz verwenden?
• Einige Techniken zur Unterdrückung von DC-DC-Wandler-EMI in IoT-Produkten
• Interplane-Kapazität und PCB-Stackups
• Verwendung eines IPC-2221-Rechners für Hochspannungsdesign

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