Проектирование и разметка схемы коррекции коэффициента мощности для энергетических систем

Хотя нам бы этого очень хотелось, мощность, подаваемая на печатную плату, не всегда является чистым постоянным током или синусоидальным сигналом. Постоянный ток, получаемый от выпрямителя, будет иметь некоторые пульсации из-за выходного конденсатора, а переменные сигналы могут содержать шум или быть несовершенными синусоидами. Существуют способы коррекции этих проблем, либо путем выбора подходящей схемы фильтрации, либо путем формирования входной волны для получения максимальной выходной мощности на нагрузку в системе.

Если вы работаете с системой переменного тока, вам, скорее всего, потребуется коррекция коэффициента мощности (PFC) для того, чтобы либо уменьшить ваше потребление тока/мощности у источника питания, либо увеличить доступную мощность для нагрузки. Хотя схемы PFC доступны в виде интегральных схем, они не могут справиться с требованиями систем высокого напряжения/высокого тока. Вам потребуется собственный дизайн и размещение схемы PFC на печатной плате, чтобы увеличить ваш коэффициент мощности почти до 1. Вот как вы можете спроектировать и смоделировать свою собственную схему PFC, и мы дадим вам несколько советов по размещению вашей схемы PFC.

Что такое коррекция коэффициента мощности?

Коэффициент мощности источника питания — это отношение реальной потребляемой мощности к видимой мощности (в вольтах и амперах RMS), и этот показатель варьируется от 0 до 1. Типичный импульсный регулятор в схеме источника питания, подключенный к источнику переменного тока с выпрямителем, будет потреблять ток небольшими порциями, когда входное напряжение приближается к своему пику. Чем больше отклонение потребляемого тока от синусоидальной формы волны напряжения, тем меньше будет коэффициент мощности. По сути, коэффициент мощности — это еще один показатель эффективности использования мощности.

К примеру, предположим, что регулятор имеет эффективность 96%; если общий коэффициент мощности источника питания составляет 60%, то реальная эффективность будет 96% x 60% = 57,6%. Цель использования схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) заключается в том, чтобы приблизить коэффициент мощности как можно ближе к 1. Когда коэффициент мощности ближе к 1, реальная потребляемая мощность становится ближе к видимой мощности, которую вы бы рассчитали, используя идеальное входное напряжение и ток RMS.

Если вы планируете продавать свой новый продукт в Европе, вам нужно будет убедиться, что вы применяете PFC в вашем блоке питания. Самым важным регламентом является EN61000-3-2, который применяется к системам питания с входной мощностью не менее 75 Вт и потреблением до 16 А на входе в сеть. Этот регламент также устанавливает пределы для общего гармонического искажения (THD) до 39-й гармоники, измеряемой на входе регулятора. Это иллюстрирует другое преимущество схемы PFC; блок питания с большим коэффициентом мощности будет иметь THD близкий к нулю на входе постоянного тока регулятора.

Проектирование схемы PFC и топология

Преобразователь PFC может быть реализован с усилительной или понижающей топологией. Существует также комбинированная усилительно-понижающая топология, хотя она не так популярна, поскольку обычно требуется увеличение или уменьшение входного напряжения и регулирование на постоянном уровне. Две версии с усилением и понижением показаны ниже. Если эти схемы соответствуют тому, что вы ожидаете от стандартного усилительного или понижающего DC-DC преобразователя, то вы правы! Общие схемы идентичны, но выбор компонентов для этих схем влияет на увеличение коэффициента мощности, обеспечиваемое схемой.

Итак, что отличает схему PFC от типичного импульсного регулятора? Критический момент в дизайне схемы PFC заключается в выборе правильного режима работы, который включает в себя выбор подходящего индуктора в этой схеме. Индуктор определит, насколько быстро ток через индуктор увеличивается по мере повышения входного напряжения, пока MOSFET находится во включенном состоянии. Как только MOSFET выключается, индуктор обеспечивает обратную ЭДС, которая затем направляет больше тока к нагрузке.

Форма волны пульсаций индуктора определяется размером индуктора, как и в случае с типичным импульсным регулятором. Волна пульсаций будет больше, когда индуктор меньше. Контроль над формой волны поддерживается путем применения импульса ШИМ или ЧИМ к MOSFET. Три режима работы схемы PFC, показанные ниже, определяются размером индуктора и типом модуляции, применяемой к MOSFET. В таблице ниже приведена сводка модуляции и характеристик тока в каждом режиме.

Для корректного обеспечения PWM или PFM на переключающем MOSFET, необходимо реализовать обратную связь к контроллеру PWM/PFM. Существуют специализированные интегральные схемы, которые могут использоваться для этой цели, даже при высоких напряжениях.

Расположение PFC: Относитесь к нему, как к высокомощному коммутационному регулятору

Возможно, самым важным моментом, о котором следует помнить при работе с любым преобразователем с коммутацией, является необходимость обеспечения изоляции от помех коммутации. Любые помехи от шумного коммутационного регулятора или схемы PFC, особенно при высоком токе, будут генерировать сильные магнитные поля, которые могут индуцировать сигнал помех в последующей цепи. Обратите внимание, что гальваническая изоляция устраняет проводимые ЭМП, но не излучаемые ЭМП, поэтому вам нужно будет предотвратить любые индуцированные помехи с помощью изоляционной структуры для цепей низкого уровня, таких как забор из переходных отверстий или экранирование. Это давно известная проблема в дизайне источников питания, как для высоковольтных источников, так и для регуляторов на интегральных схемах в электронике малой мощности.

Другие моменты, на которые следует обратить внимание, включают проектирование сигнала ШИМ или сигнала ЧИМ, вашу конструкцию стека слоев и другие методы снижения излучаемых ЭМП. Когда вы работаете с высокими напряжениями, вам также нужно будет убедиться, что вы установили соответствующее расстояние между проводящими элементами в вашей компоновке печатной платы, чтобы предотвратить ЭСР. Эти зазоры определены в стандартах IPC-2221. Ознакомьтесь с этими статьями, чтобы узнать больше:

• Проектирование схемы ИИП: Какую частоту коммутации использовать?
• Некоторые методы подавления ЭМП преобразователей постоянного тока в продуктах IoT
• Межплоскостная емкость и структура печатных плат
• Использование калькулятора IPC-2221 для проектирования высоковольтных схем

Когда вы будете готовы создать свою схему и разводку PFC на печатной плате, вы можете использовать функции проектирования схем и разводки печатных плат в Altium Designer. У вас будет все необходимое для быстрой разработки вашей схемы PFC и регуляторов для использования в высоковольтных проектах. Также вы можете получить доступ к инструменту PDN Analyzer, который позволяет изучить распределение напряжения по всей вашей сети питания.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.