Projektowanie i układ obwodów PFC dla systemów zasilania

Chociaż chcielibyśmy, aby tak było, moc wprowadzana do PCB nie zawsze jest czystym sygnałem DC lub sinusoidalnym. DC pochodzące z prostownika będzie miało pewne tętnienia pochodzące z kondensatora wyjściowego, a sygnały AC mogą zawierać szumy lub być dalekie od doskonałych fal sinusoidalnych. Istnieją sposoby na korygowanie tych problemów, albo poprzez wybór odpowiedniego obwodu filtrującego, albo przez kształtowanie fali wejściowej w celu wyprodukowania maksymalnej mocy wyjściowej do obciążenia w systemie.

Jeśli pracujesz z systemem zasilania AC, prawdopodobnie będziesz potrzebować korekcji współczynnika mocy (PFC) aby albo zmniejszyć pobór prądu/mocy w zasilaczu, albo zwiększyć dostępną moc dla obciążenia. Chociaż obwody PFC są dostępne jako układy scalone, nie mogą one sprostać wymaganiom systemów o wyższym napięciu/wyższym prądzie. Będziesz potrzebować własnego projektu obwodu PFC i układu na PCB, aby zwiększyć swój współczynnik mocy blisko 1. Oto jak możesz zaprojektować i symulować swój własny obwód PFC, a my damy ci kilka wskazówek dotyczących układu twojego obwodu PFC.

Co to jest Korekcja Współczynnika Mocy?

Współczynnik mocy zasilacza to stosunek rzeczywistej mocy zużywanej do pozornej mocy (w woltach i amperach RMS), a ta liczba mieści się w zakresie od 0 do 1. Typowy regulator impulsowy w obwodzie zasilacza podłączony do źródła prądu przemiennego z prostownikiem będzie pobierał prąd w małych impulsach, gdy napięcie wejściowe zbliży się do swojego szczytu. Im bardziej pobór prądu z linii wejściowej odbiega od sinusoidalnej formy fali napięcia, tym mniejszy będzie współczynnik mocy. Współczynnik mocy jest w zasadzie kolejnym wskaźnikiem efektywności energetycznej.

Jako przykład, załóżmy, że regulator jest efektywny w 96%; jeśli całkowity zasilacz ma współczynnik mocy 60%, to rzeczywista efektywność wynosi 96% x 60% = 57,6%. Celem stosowania projektu obwodu PFC (Power Factor Correction - korekcja współczynnika mocy) jest zbliżenie współczynnika mocy jak najbliżej do 1. Gdy współczynnik mocy jest bliższy 1, rzeczywista moc zużywana stanie się bliższa mocy pozornej, którą obliczylibyśmy, używając idealnego napięcia wejściowego RMS i prądu.

Jeśli planujesz sprzedaż swojego nowego produktu w Europie, musisz upewnić się, że zastosowałeś PFC w swoim zasilaczu. Najważniejszym przepisem jest EN61000-3-2, który dotyczy systemów zasilających o mocy wejściowej co najmniej 75 W i pobierających do 16 A przy wejściu usługowym. Ten przepis określa również limity dla całkowitego zniekształcenia harmoniczne (THD) do 39-tej harmonicznej, mierzonej na wejściu regulatora. To ilustruje inną korzyść obwodu PFC; zasilacz z większym współczynnikiem mocy będzie miał THD bliskie zeru na wejściu regulatora DC.

Projektowanie obwodów PFC i topologia

Konwerter PFC można zaimplementować z topologią podnoszącą lub obniżającą. Istnieje również topologia podnosząco-obniżająca, chociaż nie jest ona tak popularna, ponieważ zazwyczaj wymaga się podniesienia lub obniżenia napięcia wejściowego i regulacji na stałym poziomie. Poniżej przedstawiono dwie wersje: podnoszącą i obniżającą. Jeśli te schematy obwodów odpowiadają temu, czego oczekiwałbyś od standardowego konwertera DC-DC podnoszącego lub obniżającego, to masz rację! Ogólne schematy obwodów są identyczne, ale dobór komponentów dla tych obwodów wpływa na zwiększenie współczynnika mocy zapewnianego przez obwód.

Więc co odróżnia obwód PFC od typowego regulatora przełączającego? Kluczowym punktem w projektowaniu obwodu PFC jest wybór odpowiedniego trybu pracy, co wiąże się z wyborem odpowiedniego dławika w tym obwodzie. Dławik określa, jak szybko prąd przez dławik wzrasta wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, gdy tranzystor MOSFET jest włączony. Gdy tranzystor MOSFET jest wyłączony, dławik dostarcza przeciwelektromotoryczność (back EMF), która następnie kieruje więcej prądu w stronę obciążenia.

Forma fali tętnień dławika jest określona przez rozmiar dławika, podobnie jak ma to miejsce w typowym regulatorze przełączającym. Fala tętnień będzie większa, gdy dławik jest mniejszy. Kontrolę nad formą fali utrzymuje się, stosując impuls PWM lub PFM do tranzystora MOSFET. Poniżej przedstawiono trzy tryby obwodu PFC, które są określone przez rozmiar dławika i rodzaj modulacji stosowanej do tranzystora MOSFET. Poniższa tabela podsumowuje modulację i charakterystyki prądowe w każdym trybie.

Aby prawidłowo dostarczyć PWM lub PFM do przełączającego MOSFET, należy zaimplementować pętlę sprzężenia zwrotnego do kontrolera PWM/PFM. Istnieją specjalistyczne układy scalone, które mogą być używane do tego celu, nawet przy wysokich napięciach.

Układ PFC: Traktuj to jak regulator przełączający wysokiej mocy

Być może najważniejszą kwestią do zapamiętania podczas pracy z dowolnym przetwornikiem impulsowym jest rozważenie izolacji od zakłóceń przełączania. Jakiekolwiek zakłócenia pochodzące od hałaśliwego regulatora przełączającego lub obwodu PFC, szczególnie przy wysokim prądzie, wygenerują silne pola magnetyczne, które mogą indukować sygnał zakłóceń w obwodzie znajdującym się dalej. Należy zauważyć, że izolacja galwaniczna eliminuje przewodzone EMI, ale nie promieniowane EMI, więc będziesz musiał zapobiec wszelkim indukowanym zakłóceniom za pomocą struktury izolacyjnej dla obwodów niskopoziomowych, takich jak ogrodzenie z przelotkami lub ekranowanie. To od dawna jest dobrze znany problem w projektowaniu zasilaczy, zarówno dla zasilaczy wysokiego napięcia, jak i układów scalonych regulatorów w elektronice niskiej mocy.

Inne kwestie, które należy rozważyć, to projektowanie sygnału PWM lub sygnału PFM, projektowanie układu warstw oraz inne techniki redukcji promieniowanego EMI. Pracując przy wysokich napięciach, musisz również upewnić się, że ustawiłeś odpowiednie odstępy między elementami przewodzącymi na układzie PCB, aby zapobiec ESD. Te odstępy są zdefiniowane w standardach IPC-2221. Zapoznaj się z tymi artykułami, aby dowiedzieć się więcej:

• Projektowanie obwodu SMPS: Którą częstotliwość przełączania użyć?
• Niektóre techniki tłumienia EMI w przetwornicach DC-DC w produktach IoT
• Pojemność międzywarstwowa i układy warstw PCB
• Użycie kalkulatora IPC-2221 do projektowania wysokonapięciowego

Kiedy będziesz gotowy, aby stworzyć swój projekt i układ obwodu PFC na PCB, możesz skorzystać z funkcji projektowania schematów i układu PCB w Altium Designer®. Będziesz miał wszystko, czego potrzebujesz, aby szybko zaprojektować swój obwód PFC i regulatory do użytku w projektach wysokonapięciowych. Możesz również uzyskać dostęp do narzędzia PDN Analyzer, które pozwala zbadać rozkład napięcia w całej sieci dostarczania energii.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.