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在離線應(yīng)用中采用UCC28056來優(yōu)化效率和待機(jī)功耗

2019-05-24

1前言

隨著產(chǎn)品法規(guī)持續(xù)要求在這些關(guān)鍵領(lǐng)域提高性能，效率和待機(jī)功耗已成為離線應(yīng)用中關(guān)注的重點(diǎn)。這種關(guān)注需要采用復(fù)雜的功率策略以滿足這些要求，例如在低功耗模式下關(guān)閉PFC。這種策略雖然有效，但極大地增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也增加了PFC下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，使其無法處理更寬的輸入電壓范圍。UCC28056器件專為解決此問題而設(shè)計(jì)，可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率，使設(shè)計(jì)人員即使在低功率模式下也能保持PFC開啟狀態(tài)。本應(yīng)用指南介紹了使用UCC28056優(yōu)化過渡模式PFC設(shè)計(jì)以提高效率和待機(jī)功耗的設(shè)計(jì)決策。

2功耗標(biāo)準(zhǔn)

表1和表2總結(jié)了美國能源部（DOE）VI級(jí)對(duì)銘牌輸出功率為50 mW及以上的應(yīng)用的功耗要求。

表1.DOE VI級(jí)（50 W至249 W）

表2.DOE VI級(jí)（>250 W）

表3總結(jié)了《歐盟行為準(zhǔn)則》（CoC）II級(jí)對(duì)銘牌輸出功率為50 W至250 W的應(yīng)用的功耗要求。在撰寫本文時(shí)，未獲知銘牌輸出功率大于250 W的要求。

表3.CoC II級(jí)功耗要求

應(yīng)該注意的是，CoC II級(jí)考慮了10％負(fù)載下的輕載效率點(diǎn)，該負(fù)載下的效率通常因靜態(tài)損耗和較低的輸出功率而受到影響。在10％負(fù)載下效率較低，因此在其他四個(gè)調(diào)節(jié)效率點(diǎn)上需要更高的效率以滿足最小平均效率。

3優(yōu)化效率和待機(jī)功耗

為了說明優(yōu)化待機(jī)功耗和效率的方法，請(qǐng)考慮以下85 VAC至265 VAC，165 W設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1.UCC28056設(shè)計(jì)示例

4突發(fā)模式運(yùn)行

UCC28056實(shí)現(xiàn)了突發(fā)模式功能，進(jìn)一步改善了輕載效率和待機(jī)功耗。此外，在進(jìn)入突發(fā)模式后，導(dǎo)通時(shí)間脈沖寬度在前4個(gè)開關(guān)周期內(nèi)斜坡上升。此外，在退出突發(fā)模式之前，導(dǎo)通時(shí)間脈沖寬度在最后4個(gè)開關(guān)周期內(nèi)斜坡下降。這種軟導(dǎo)通和軟關(guān)斷策略在進(jìn)入突發(fā)模式后在前4個(gè)周期內(nèi)增加線路電流，并在最后4個(gè)周期內(nèi)降低線電流。此功能可在輕載條件下限制可聽噪聲和對(duì)EMI濾波器的干擾。

進(jìn)入和退出突發(fā)模式通過應(yīng)用于COMP引腳電壓的兩個(gè)比較器閾值實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)比較器閾值的平均電壓約為VCOMP_Max的11％，這意味著在每個(gè)突發(fā)周期期間傳遞的功率約為最大輸出功率的11％。

在突發(fā)開啟期間，PFC級(jí)的效率大約等于PFC轉(zhuǎn)換器在11％負(fù)載下的效率。在突發(fā)關(guān)閉期間，UCC28056的電流消耗降至125μA。在沒有轉(zhuǎn)換動(dòng)作發(fā)生的突發(fā)關(guān)閉期間的功率損耗主要由PFC級(jí)內(nèi)的靜態(tài)功率損耗決定。等式1提供了待機(jī)功耗性能的近似值

當(dāng)PFC級(jí)上的負(fù)載降低到10％以下時(shí)，突發(fā)期間的頻率也會(huì)降低，以保持輕負(fù)載的高效率。

5限制靜態(tài)損耗

電路內(nèi)器件的靜態(tài)損耗會(huì)提高待機(jī)功耗。例如橋式整流器、升壓二極管和MOSFET中的傳導(dǎo)損耗，本節(jié)為選擇合適的值以降低PFC級(jí)中的功率損耗提供了指導(dǎo)。

5.1分壓器

VOSNS引腳連接到內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的反相輸入，用于通過電阻分壓器設(shè)置PFC級(jí)輸出調(diào)節(jié)點(diǎn)。由于典型的PFC輸出電壓約為400 V，因此反饋分壓器中的靜態(tài)功率損耗可能很大，并且是導(dǎo)致高待機(jī)功耗的主要原因之一。等式2是VOSNS分壓器中的靜態(tài)功耗：

其中VBLK是PFC級(jí)的輸出電壓，ROS1是分壓器的頂部電阻，ROS2是分壓器的底部電阻。對(duì)于400 V的輸出電壓和1MΩ的總反饋電阻，反饋分壓器的靜態(tài)損耗為160 mW。因此，使用盡可能大的反饋電阻是有利的。但是，由于VOSNS偏置電流IOSNSBias的影響，較大的ROS1值會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度下降。等式3顯示了調(diào)節(jié)精度與ROS1電阻之間的關(guān)系：

其中IOSBias是VOSNS引腳的偏置電流。最大IOSNSBias電流為100 nA。等式4確保由于IOSNSBias造成的輸出電壓調(diào)節(jié)降低不到1％：

1對(duì)于390 V的輸出電壓，ROS1的最大值為39MΩ。可以使用等式5計(jì)算ROS2的相應(yīng)值，其中VOSReg是基準(zhǔn)電壓，2.5 V：

如果使用3×10-MΩ電阻作為ROS1，使用100kΩ+93.1kΩ作為ROS2，則VOSNS分壓器的總待機(jī)功耗為5 mW。

5.2UCC28056 + UCC25630x反饋/ BLK分壓器

對(duì)于在PFC級(jí)下游使用LLC轉(zhuǎn)換器的AC/DC系統(tǒng)，可以將VOSNS電阻分壓器配置為用作過渡模式升壓PFC級(jí)的反饋分壓器和LLC控制器UCC25630x的BLK引腳分壓器，如圖2所示。這種方法通過消除整個(gè)AC/DC系統(tǒng)解決方案中的額外高壓分壓器，大大降低了靜態(tài)功耗。

圖2.UCC28056和UCC25630x的結(jié)合高壓分壓器

為了適應(yīng)UCC28056和UCC25630x的不同電阻分壓比，需要兩個(gè)電阻抽頭。將PFC儲(chǔ)能電壓設(shè)置為390 V時(shí)，VOSNS分壓比KOS等于156，如等式6所示。KBLK由LLC預(yù)期打開時(shí)的最小PFC儲(chǔ)能電壓決定。當(dāng)儲(chǔ)能導(dǎo)通閾值為3.05 V，所需的導(dǎo)通閾值為340 V時(shí)，BLK分壓比KBLK等于111.5，如等式7所示：

在本例中，選擇上分壓電阻ROS11，由3個(gè)串聯(lián)的3.24 MΩ，1206 SMT電阻組成，如等式8所示：

同時(shí)求解等式6和等式7，得到等式9：

然后使用以下等式找到相應(yīng)的ROS2：

這兩個(gè)電阻可以使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值實(shí)現(xiàn)，如等式11和等式12所示：

該組合電阻分壓器的總功耗為15.5 mW。

5.3ZCD/CS分壓器

在突發(fā)關(guān)閉條件下，ZCD/CS分壓器的功耗最高。在這種狀態(tài)下，漏極電壓近似于等于線路電壓峰值的DC電壓。ZCD/CS分壓器的峰值功耗如等式13所示：

其中RZC1是ZCD/CS分壓器頂部電阻的電阻，RZC2是ZCD/CS分壓器底部電阻的電阻。與VOSNS分壓器非常相似，可以通過ZCD引腳檢測(cè)精度的小幅折衷增加RZC1和RZC2的電阻。等式14將ZCD偏置電流引起的精度下降限制在1％以下：

分壓器鏈中的上部電阻RZC1必須在浪涌測(cè)試下承受峰值輸出電壓。對(duì)于耐用的解決方案，此位置的電阻應(yīng)具有高于升壓MOSFET雪崩額定值的額定電壓。3個(gè)1206 SMT，3.24MΩ的串聯(lián)鏈滿足精度要求，并提供高于600 V的耐壓能力。使用等式15和等式16確定RZC1和RZC2的適當(dāng)值：

最大輸入電壓為265 Vrms時(shí)，半個(gè)周期內(nèi)的峰值功耗為14.41 mW。

5.4X電容選擇

X電容器是EMI濾波器的關(guān)鍵組件，并且逐線連接以抑制EMI噪聲。當(dāng)電容器充電和放電時(shí)，在電容器的等效串聯(lián)電阻上消耗會(huì)功率，如等式17所示：

流過電容器的均方根電容器電流取決于線路均方根電壓、線路頻率和X電容器配置中的總電容。忽略寄生電感，x電容帶給線路的阻抗可以如等式18所示計(jì)算：

可以使用等式19計(jì)算X電容的功率損耗：

對(duì)于并聯(lián)最大線路電壓265 Vrms和0.33μF，每個(gè)的損耗因子為0.00022，X電容消耗的功率為6.4 mW。

5.5有源X電容放電

某些應(yīng)用需要一種方法將EMI濾波器中使用的線間電容器在指定時(shí)間內(nèi)放電到合理電壓。這是為了確保AC插頭上的高壓不會(huì)無限期地保留。有幾種控制放電時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC60950、IEC60065和IEC62368，總結(jié)在表4中。

表4.X電容器放電標(biāo)準(zhǔn)4

一種流行的做法是將泄放電阻與X電容器并聯(lián)放置。一般準(zhǔn)則是每100 nF的電容需要并聯(lián)添加10MΩ的最大泄放電阻。對(duì)于330 nF的X電容，需要至少3.3MΩ的泄放電阻。

雖然這是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，但它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中額外的靜態(tài)功率損耗，增加待機(jī)功耗。對(duì)于85 VAC至265 VAC的輸入電壓范圍，3.3MΩ泄放電阻分壓器的功率損耗為21.2 mW。更有效的方法是使用有源X電容放電功能，該功能僅在檢測(cè)到AC斷開時(shí)才啟用。對(duì)于使用下游LLC級(jí)的AC/DC系統(tǒng)，此功能集成在UCC256301和UCC256304諧振控制器中。UCC256301和UCC256304能夠通過高壓引腳檢測(cè)AC線路，當(dāng)檢測(cè)到AC斷開事件時(shí)，放電X電容。在穩(wěn)定狀態(tài)下，HV引腳的最大漏電流為7.55μA。每隔720 ms，UCC25630x轉(zhuǎn)換器將一個(gè)測(cè)試電流階梯應(yīng)用于線路，檢查過零以確定AC拔插事件。假設(shè)施加到HV引腳的電壓是等于AC線電壓的整流正弦波，則可以使用等式20計(jì)算最壞情況下的功耗：

5.6橋式整流器

橋式整流器中的功率損耗是導(dǎo)通期間的正向電壓和每個(gè)二極管的寄生電阻的結(jié)果。每個(gè)二極管的總功率損耗用等式21表示：

最壞情況下的功率損耗發(fā)生在最小線電壓和最大負(fù)載時(shí)。對(duì)于2.1 A的峰值輸入電流、1 V的正向電壓和80mΩ的寄生電阻，可以使用等式22計(jì)算每個(gè)二極管的總功率損耗：

橋式整流器的總損耗如等式23所示：

二極管的正向電壓取決于溫度，其中正向電壓隨著二極管的結(jié)溫度的增加而降低。因此，在橋式整流器中，可以對(duì)結(jié)溫升高和導(dǎo)通損耗降低進(jìn)行權(quán)衡。

5.7MOSFET選擇

升壓開關(guān)元件中的總功率損耗可以通過由開關(guān)的導(dǎo)通電阻引起的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極的開關(guān)損耗來描述�？梢杂玫仁�24計(jì)算導(dǎo)通損耗：

其中，IMOS_RMS是MOSFET的均方根電流，RDS_on是MOSFET的導(dǎo)通電阻，Cotemp是與導(dǎo)通電阻相關(guān)的溫度系數(shù)。開關(guān)中的最大電流出現(xiàn)在滿載和最小輸入電壓時(shí)：

導(dǎo)通電阻隨著MOSFET結(jié)溫的增加而增加，在傳導(dǎo)損耗等式中由Cotemp表示。在工作期間降低MOSFET的溫升可以降低傳導(dǎo)損耗。MOSFET中的開關(guān)損耗總結(jié)如下：

減少M(fèi)OSFET的柵極電荷以降低上升和下降轉(zhuǎn)換時(shí)間是有利的。然而，對(duì)于600V MOSFET，在這方面的選擇有限。

6待機(jī)功耗測(cè)量技巧

可以使用等式29計(jì)算PFC級(jí)消耗的實(shí)際功率：

由于UCC28056的突發(fā)模式特性，輸入功率變化通常非常高，并且難以從瞬時(shí)功率測(cè)量進(jìn)行精確測(cè)量。使用具有積分功能的功率計(jì)可以讓用戶在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)積分mWh，然后執(zhí)行簡單計(jì)算以獲得PFC級(jí)消耗的平均輸入功率。圖3顯示了UCC28056EVM-296上待機(jī)功耗測(cè)量的正確連接。

圖3.待機(jī)功耗測(cè)量連接

6.1功率表連接和設(shè)置

強(qiáng)烈建議將PFC級(jí)的輸出與任何測(cè)量儀器（如電子負(fù)載或電壓表）物理斷開。由于PFC級(jí)的輸出是相對(duì)較高的電壓，測(cè)量儀器吸收的漏電流可能導(dǎo)致10 mW的輕負(fù)載，這將人為地增加待機(jī)功耗測(cè)量值。為了防止AC線電壓測(cè)量的功耗使待機(jī)功耗結(jié)果增加，將電壓測(cè)量的正極端子連接到面向AC電源的電源線也很重要。。由于PFC級(jí)在待機(jī)狀態(tài)下吸收的電流非常小，因此線電壓的測(cè)量誤差小到可以忽略不計(jì)。將電流表連接到中性線，以避免高頻噪聲和電容耦合增加電流測(cè)量讀數(shù)。

圖4.AC功率表連接

線電壓和線電流測(cè)量的更高精度可降低測(cè)量的噪聲基底，并減少測(cè)量間隔內(nèi)積分的誤差量。建議使用盡可能低的電壓范圍。電流范圍必須足夠大，以測(cè)量突發(fā)期間的峰值線電流。建議使用電流探頭測(cè)量峰值線電流，并選擇恰好高于最大測(cè)量線電流的電流范圍。

6.2平均輸入功率計(jì)算

在積分模式下，功率表計(jì)算PFC級(jí)在測(cè)量間隔期間消耗的功率量（mWh）。然后可以使用等式30計(jì)算平均輸入功率：

6.3待機(jī)功耗和效率測(cè)量

表5總結(jié)了PFC設(shè)計(jì)從85 VAC到265 VAC的待機(jī)功耗測(cè)量。

表5.待機(jī)功耗測(cè)量

圖5總結(jié)了線路和負(fù)載的效率性能。

圖 5.效率與輸出功率

7總結(jié)

UCC28056可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供卓越的待機(jī)功耗和效率性能，使設(shè)計(jì)能夠滿足最新的功耗標(biāo)準(zhǔn)。UCC28056的突發(fā)模式運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)高輕載效率，使設(shè)計(jì)即使在低功耗模式下也能保持PFC開啟。通過使PFC持續(xù)開啟，可實(shí)現(xiàn)更窄的輸

入電壓范圍，簡化整體系統(tǒng)復(fù)雜性以及下游轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。