Thiết kế và Bố trí Mạch PFC cho Hệ thống Điện

| Created: Tháng Chín 7, 2020 | Updated: Tháng Chín 25, 2020

Thiết kế và Bố trí Mạch PFC cho Hệ thống Điện

Dù chúng ta mong muốn, nguồn điện cấp vào một PCB không phải lúc nào cũng là một tín hiệu DC sạch sẽ hoặc sóng sin. DC đến từ bộ chỉnh lưu sẽ có một số dao động từ tụ điện đầu ra, và tín hiệu AC có thể chứa nhiễu hoặc không phải là sóng sin hoàn hảo. Có một số cách để khắc phục những vấn đề này, hoặc bằng cách chọn mạch lọc phù hợp hoặc bằng cách hình thành sóng đầu vào để sản xuất công suất tối đa cho tải trong hệ thống.

Nếu bạn đang làm việc với hệ thống điện AC, bạn sẽ cần đến sự điều chỉnh hệ số công suất (PFC) để giảm lượng dòng điện/công suất tiêu thụ tại nguồn cung cấp, hoặc để tăng công suất có sẵn cho tải. Mặc dù các mạch PFC có sẵn dưới dạng IC, chúng không thể đáp ứng được nhu cầu của các hệ thống điện áp cao/dòng điện cao. Bạn sẽ cần thiết kế và bố trí mạch PFC của riêng mình trên PCB để tăng hệ số công suất gần với 1. Dưới đây là cách bạn có thể thiết kế và mô phỏng mạch PFC của mình, và chúng tôi sẽ đưa ra một số mẹo bố trí cho mạch PFC của bạn.

Điều chỉnh hệ số công suất là gì?

Hệ số công suất của một nguồn cung cấp là tỷ lệ giữa công suất thực tiêu thụ so với công suất hiển thị (tính bằng điện áp và dòng điện RMS), và con số này nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Một bộ điều chỉnh chuyển mạch điển hình trong một mạch nguồn cung cấp kết nối với nguồn AC qua một bộ chỉnh lưu sẽ hút dòng điện theo từng cơn nhỏ mỗi khi điện áp đầu vào tiến gần đến đỉnh của nó. Càng nhiều dòng điện được rút từ đường dây đầu vào lệch khỏi dạng sóng điện áp hình sin, hệ số công suất càng nhỏ. Hệ số công suất cơ bản là một chỉ số khác cho hiệu suất công suất.

Ví dụ, giả sử một bộ điều chỉnh có hiệu suất 96%; nếu tổng nguồn cung cấp có hệ số công suất là 60%, thì hiệu suất thực tế là 96% x 60% = 57.6%. Mục tiêu của việc sử dụng thiết kế mạch PFC là đưa hệ số công suất càng gần với 1 càng tốt. Khi hệ số công suất càng gần với 1, công suất thực tiêu thụ sẽ càng gần với công suất hiển thị mà bạn sẽ tính toán sử dụng điện áp và dòng điện đầu vào RMS lý tưởng.

Nếu bạn đang lên kế hoạch bán sản phẩm mới của mình ở Châu Âu, bạn cần đảm bảo rằng bạn áp dụng PFC trong nguồn cung cấp điện của mình. Quy định quan trọng nhất là EN61000-3-2, áp dụng cho các hệ thống điện có công suất đầu vào ít nhất 75 W và kéo lên đến 16 A tại cổng dịch vụ. Quy định này cũng đặt giới hạn về tổng méo hài tổng (THD) lên đến hài thứ 39 như được đo tại đầu vào của một bộ điều chỉnh. Điều này minh họa lợi ích khác của mạch PFC; một nguồn cung cấp điện với hệ số công suất lớn hơn sẽ có THD gần bằng không tại đầu vào điều chỉnh DC.

Power supply flowchart in PFC circuit design — Sơ đồ khối cho thấy quá trình chuyển giao điện năng trong nguồn cung cấp điện. Các đường cong màu đỏ trong biểu đồ ở giữa biểu diễn các đỉnh dòng điện rút từ bộ điều chỉnh chuyển mạch DC phía hạ lưu.

Thiết kế và Topology Mạch PFC

Một bộ chuyển đổi PFC có thể được thực hiện với topology tăng áp hoặc giảm áp. Cũng có topology tăng-giảm áp, mặc dù điều này không phổ biến như điện áp đầu vào thường cần được tăng lên hoặc giảm xuống và điều chỉnh ở một mức độ ổn định. Hai phiên bản tăng áp và giảm áp được hiển thị dưới đây. Nếu các sơ đồ mạch này phù hợp với những gì bạn mong đợi từ một bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp hoặc giảm áp tiêu chuẩn, thì bạn đã đúng! Các sơ đồ mạch tổng thể giống nhau, nhưng việc lựa chọn linh kiện cho các mạch này ảnh hưởng đến sự tăng hệ số công suất do mạch cung cấp.

PFC circuit design with boost and buck topology — *Thiết kế mạch PFC với topologi tăng và giảm.*

Vậy điều gì làm cho mạch PFC khác biệt so với một bộ điều chỉnh chuyển mạch thông thường? Điểm then chốt trong thiết kế mạch PFC là việc chọn chế độ hoạt động phù hợp, điều này liên quan đến việc chọn cuộn cảm đúng trong mạch này. Cuộn cảm sẽ quyết định tốc độ dòng điện qua cuộn cảm tăng nhanh như thế nào khi điện áp đầu vào tăng lên trong khi MOSFET đang bật. Một khi MOSFET được tắt, cuộn cảm cung cấp một EMF ngược, sau đó hướng dòng điện nhiều hơn về phía tải.

Đồ thị sóng dạng răng cưa của cuộn cảm được xác định bởi kích thước của cuộn cảm, giống như trong trường hợp của một bộ điều chỉnh chuyển mạch thông thường. Sóng dạng răng cưa sẽ lớn hơn khi cuộn cảm nhỏ hơn. Kiểm soát sóng dạng được duy trì bằng cách áp dụng xung PWM hoặc PFM vào MOSFET. Ba chế độ mạch PFC được hiển thị dưới đây được xác định bởi kích thước cuộn cảm và loại điều chế áp dụng vào MOSFET. Bảng dưới đây tóm tắt điều chế và đặc điểm dòng điện trong mỗi chế độ.

PFC circuit design modes — *Các chế độ mạch PFC. Màu xanh: dòng điện cuộn cảm; Màu đỏ: dòng điện trung bình.*

Chế độ	Điều chế	Đặc điểm Dòng Điện
CCM	PWM	Dòng điện trung bình gần với dòng điện sin lý tưởng với sóng dạng răng cưa thấp, sử dụng diode Schottky SiC tốc độ cao để tăng hiệu suất. Tốt nhất cho công suất đầu ra cao nhất.
CrCM	PFM	Dòng điện trung bình thấp hơn so với dòng điện lý tưởng, dao động lớn hơn, tổn thất chuyển mạch thấp hơn vì MOSFET được chuyển gần hơn với trạng thái TẮT thực sự. Tốt nhất cho công suất vừa phải.
DCM	PWM hoặc PFM	Dòng điện trung bình thấp nhất so với dòng điện lý tưởng, dao động cao nhất, tổn thất chuyển mạch thấp nhất vì MOSFET có thể được chuyển hoàn toàn sang trạng thái TẮT. Tốt nhất cho công suất thấp, tồi nhất về mặt EMI.

Để cung cấp đúng cách PWM hoặc PFM cho MOSFET chuyển mạch, bạn cần thực hiện một vòng lặp phản hồi đến bộ điều khiển PWM/PFM. Có một số IC chuyên dụng có thể được sử dụng cho mục đích này, ngay cả ở điện áp cao.

Bố trí PFC: Xử lý nó như một Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch Công Suất Cao

Có lẽ điểm quan trọng nhất cần nhớ khi làm việc với bất kỳ bộ chuyển đổi chuyển mạch nào là cần xem xét việc cô lập khỏi tiếng ồn chuyển mạch. Bất kỳ tiếng ồn nào từ một bộ điều chỉnh chuyển mạch ồn ào hoặc mạch PFC, đặc biệt là ở dòng điện cao, sẽ tạo ra các trường từ mạnh có thể gây ra tín hiệu nhiễu trong mạch hạ lưu. Lưu ý rằng cô lập galvanic loại bỏ EMI dẫn, nhưng không phải EMI bức xạ, vì vậy bạn sẽ cần phải ngăn chặn bất kỳ tiếng ồn nào được gây ra với một cấu trúc cô lập cho các mạch cấp thấp, như hàng rào via hoặc chắn. Đây đã lâu là một vấn đề được biết đến trong thiết kế nguồn điện, cả cho nguồn điện áp cao và IC điều chỉnh trong điện tử công suất thấp.

Những điểm khác cần xem xét là thiết kế tín hiệu PWM hoặc tín hiệu PFM, thiết kế xếp chồng của bạn, và các kỹ thuật khác để giảm EMI bức xạ. Khi bạn làm việc với điện áp cao, bạn cũng cần chắc chắn rằng bạn đã thiết lập khoảng cách phù hợp giữa các yếu tố dẫn trong bố cục PCB của mình để ngăn chặn ESD. Những khoảng cách này được định nghĩa trong tiêu chuẩn IPC-2221. Hãy xem những bài viết này để tìm hiểu thêm:

Khi bạn sẵn sàng để tạo thiết kế mạch PFC và bố trí trên PCB, bạn có thể sử dụng các tính năng thiết kế sơ đồ mạch và bố trí PCB trong Altium Designer®. Bạn sẽ có mọi thứ bạn cần để nhanh chóng bố trí mạch PFC và bộ điều chỉnh của bạn để sử dụng trong thiết kế điện áp cao. Bạn cũng có thể truy cập công cụ PDN Analyzer, cho phép bạn kiểm tra phân phối điện áp trong toàn bộ mạng lưới cung cấp điện của mình.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.

Explore Altium Designer Get a FREE Trial Altium Designer Quickstart Guide Technical Documentation Altium Designer Licensing Options

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.