Progettazione e layout del circuito PFC per sistemi di alimentazione

Per quanto ci piacerebbe, l'ingresso di potenza in un PCB non è sempre un segnale DC pulito o sinusoidale. Il DC proveniente da un raddrizzatore avrà qualche ondulazione dal condensatore di uscita, e i segnali AC possono contenere rumore o essere onde sinusoidali meno che perfette. Esistono alcuni modi per correggere questi problemi, sia scegliendo il circuito di filtraggio giusto sia modellando l'onda di ingresso per produrre la massima potenza di uscita a un carico nel sistema.

Se stai lavorando con un sistema di alimentazione AC, probabilmente avrai bisogno della correzione del fattore di potenza (PFC) per ridurre il tuo consumo di corrente/potenza all'alimentazione, o per aumentare la potenza disponibile al carico. Sebbene i circuiti PFC siano disponibili come IC, non possono gestire le esigenze di sistemi ad alta tensione/alta corrente. Avrai bisogno del tuo design e layout del circuito PFC sul PCB per aumentare il tuo fattore di potenza vicino a 1. Ecco come puoi progettare e simulare il tuo circuito PFC, e ti daremo alcuni consigli sul layout per il tuo circuito PFC.

Che cos'è la Correzione del Fattore di Potenza?

Il fattore di potenza di un'alimentazione è il rapporto tra la potenza reale consumata e la potenza apparente (in volt e ampere RMS), e questo numero varia da 0 a 1. Un tipico regolatore di commutazione in un circuito di alimentazione collegato a una fonte AC con un raddrizzatore preleverà corrente in piccole raffiche una volta che la tensione di ingresso si avvicina al suo picco. Più la corrente prelevata dalla linea di ingresso si discosta dalla forma d'onda sinusoidale della tensione, minore sarà il fattore di potenza. Il fattore di potenza è sostanzialmente un'altra metrica per l'efficienza energetica.

Come esempio, supponiamo che un regolatore sia efficiente al 96%; se l'intera alimentazione ha un fattore di potenza del 60%, allora l'efficienza reale è del 96% x 60% = 57,6%. L'obiettivo dell'uso di un progetto di circuito PFC è portare il fattore di potenza il più vicino possibile a 1. Quando il fattore di potenza è più vicino a 1, la potenza reale consumata diventerà più vicina alla potenza apparente che si calcolerebbe usando il voltaggio e la corrente di ingresso RMS ideali.

Se stai pianificando di vendere il tuo nuovo prodotto in Europa, dovrai assicurarti di applicare il PFC nell'alimentatore. La normativa più importante è EN61000-3-2, che si applica ai sistemi di alimentazione con almeno 75 W di potenza in ingresso e che possono assorbire fino a 16 A all'ingresso del servizio. Questa normativa stabilisce anche limiti sulla distorsione armonica totale (THD) fino alla 39ª armonica, misurata all'ingresso di un regolatore. Questo illustra l'altro vantaggio di un circuito PFC; un alimentatore con un fattore di potenza maggiore avrà una THD vicina allo zero all'ingresso del regolatore DC.

Progettazione e Topologia del Circuito PFC

Un convertitore PFC può essere implementato con topologia boost o buck. Esiste anche una topologia buck-boost, anche se questa non è popolare quanto le versioni che normalmente necessitano di aumentare o diminuire la tensione di ingresso e regolarla a un livello costante. Le due versioni buck e boost sono mostrate di seguito. Se questi schemi dei circuiti corrispondono a quello che ti aspetteresti da un convertitore DC-DC buck o boost standard, allora hai ragione! Gli schemi complessivi dei circuiti sono identici, ma la selezione dei componenti per questi circuiti influenza l'aumento del fattore di potenza fornito dal circuito.

Quindi, cosa rende un circuito PFC diverso da un regolatore di commutazione tipico? Il punto critico nella progettazione del circuito PFC è la scelta della modalità di funzionamento corretta, che comporta la selezione dell'induttore giusto in questo circuito. L'induttore determinerà quanto velocemente aumenta la corrente attraverso l'induttore man mano che la tensione di ingresso aumenta mentre il MOSFET è acceso. Una volta che il MOSFET viene spento, l'induttore fornisce una fem indotta, che poi indirizza più corrente verso il carico.

La forma d'onda dell'ondulazione dell'induttore è determinata dalla dimensione dell'induttore, proprio come nel caso di un regolatore di commutazione tipico. L'onda di ondulazione sarà più grande quando l'induttore è più piccolo. Il controllo sulla forma d'onda è mantenuto applicando un impulso PWM o PFM al MOSFET. Le tre modalità del circuito PFC mostrate di seguito sono determinate dalla dimensione dell'induttore e dal tipo di modulazione applicata al MOSFET. La tabella sottostante riassume la modulazione e le caratteristiche di corrente in ogni modalità.

Per fornire adeguatamente PWM o PFM al MOSFET di commutazione, è necessario implementare un anello di feedback a un controller PWM/PFM. Esistono alcuni IC specializzati che possono essere utilizzati per questo scopo, anche ad alte tensioni.

Layout PFC: Trattalo Come un Regolatore di Commutazione ad Alta Potenza

Forse il punto più importante da ricordare quando si lavora con un convertitore di commutazione è considerare l'isolamento dal rumore di commutazione. Qualsiasi rumore proveniente da un regolatore di commutazione rumoroso o da un circuito PFC, specialmente ad alta corrente, genererà campi magnetici forti che possono indurre un segnale di rumore in un circuito a valle. Da notare che l'isolamento galvanico elimina l'EMI condotto, ma non l'EMI irradiato, quindi sarà necessario prevenire qualsiasi rumore indotto con una struttura di isolamento per circuiti a basso livello, come una recinzione di vie o schermatura. Questo è da tempo un problema ben noto nella progettazione di alimentatori, sia per le forniture ad alta tensione che per i regolatori IC in elettronica a bassa potenza.

Altri punti da considerare sono la progettazione del segnale PWM o PFM, il design del tuo stackup e altre tecniche per ridurre l'EMI irradiato. Quando lavori ad alte tensioni, dovrai anche assicurarti di impostare la giusta distanza tra gli elementi conduttivi nel layout del tuo PCB per prevenire l'ESD. Queste distanze sono definite negli standard IPC-2221. Dai un'occhiata a questi articoli per saperne di più:

• Progettazione del circuito SMPS: Quale frequenza di commutazione utilizzare?
• Tecniche per Sopprimere l'EMI nei Convertitori DC-DC nei Prodotti IoT
• Capacitanza Interpiano e Impilamenti PCB
• Utilizzo di un Calcolatore IPC-2221 per il Design ad Alta Tensione

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