Noi progrese în domeniul PFC prin tehnica de intercalare

30 APRILIE 2009

Introducere
Arta proiectării surselor de alimentare, ca majoritatea activităţilor ce necesită efort, este o provocare fără sfârşit de a echilibra câteva obiective pentru a atinge rezultatul cel mai de dorit. Pentru structuri SMPS (switched mode power supply), obiectivele concurente includ de obicei costul total al sistemului, limitări ale factorului de formă, specificaţiile randamentului total, preocuparea asupra temperaturii şi presiunea timpului până la lansarea pe piaţă. Ocazional, o nouă idee apare pe scenă, schimbând dramatic peisajul.
Cererea globală pentru costuri totale ale sistemului mai scăzute şi profiluri mai subţiri au condus la PFC (power factor correction) intercalat, cea mai recentă inovaţie din industrie. Conceptul de PFC intercalat (interleaved) a fost discutat încă din 1992 de către Miwa, Otten, şi Schlecht [1]. Controlul PFC interleaved mono-chip a devenit realitate în 2007 şi acum schimbă radical peste noapte înfăţişarea câtorva echipamente finale – cele mai semnificative în televiziunea digitală. Acest articol prezintă nevoia pentru PFC şi cele mai noi inovaţii în idei de concepţie. Ar trebui să se dovedească de ajutor în special inginerilor care se confruntă cu specificaţii dificile de proiectare la un buget limitat şi acelora doar interesaţi să afle mai mult despre acest nou curent.

PFC Tipic
Un circuit PFC tipic este un stabilizator ridicător de tensiune în comutaţie cu circuite de control. Acesta menţine curentul de intrare proporţional cu tensiunea instantanee a liniei, reglând în acelaşi timp tensiunea de ieşire. (Figura 1)
Bucla de reacţie care reglează curentul are o lăţime de bandă de aproximativ 10kHz. Aceasta reglează lin curentul mediu de intrare proporţional cu tensiunea de intrare astfel încât factorul de putere este foarte mare, iar armonicile sunt minimizate. Bucla de reglare a tensiunii are o lăţime de bandă mai mică de 60Hz astfel încât nu interferează cu bucla de curent. Deseori, sunt adăugare elementele de feedback neliniare pentru a îmbunătăţi răspunsul la trepte mari de intrare şi ieşire.
Pentru curenţi de sarcina mari, stabilizatoarele ridicătoare de tensiune în comutaţie menţin curent inductor continuu, tipic cu 60% riplu de curent. Curentul cu riplu mic poate fi avantajos deoarece se atenuează mai uşor cu filtrul EMI de intrare. Pentru curenţi de sarcină mai mici, riplul curentului poate creşte până la 200%. Curentul de intrare poate fi chiar discontinuu, atât timp cât bucla de curent controlează curentul mediu de intrare.
O altă metodă practică de a produce curent de intrare proporţional cu tensiunea de intrare este utilizarea unui convertor “mod tranziţie” cu stabilizator on-time, care rămâne constant pe tot parcursul ciclului liniei. Modul de tranziţie, sau “modul de conducţie critică”, înseamnă că convertorul începe un nou ciclu de comutare de fiecare dată când curentul de intrare scade la zero. Cu alte cuvinte, aceasta este limita între modurile de conducţie continuu şi discontinuu. Prin definiţie, modul de tranziţie are un riplu de curent 200%.
Cu un stabilizator ridicător de tensiune în comutaţie cu mod de tranziţie operând cu fix on-time, curentul mediu de intrare este inerent proporţional cu tensiunea de intrare. Pentru oricare ciclu de comutare, curentul de vârf este Ipeak=Vin*Ton/L şi curentul minim este zero. Astfel, curentul de intrare mediu este jumătate din curentul de vârf: Iaverage=Vin*Ton/(2*L). cât timp inductorul şi on-time rămân constante, curentul de intrare mediu este direct proporţional cu tensiunea de intrare.
Modul de tranziţie fix on-time are multe avantaje cum este acela că nu necesită nici un curent de feedback. Astfel, mult mai puţină putere este pierdută în detecţia curentului. Un alt avantaj este că convertorul este imun la erori în circuitul de detecţie a curentului. Un al treilea avantaj este că acest convertor iniţiază mereu un nou ciclu de comutare cu curent de ieşire zero, minimizând pierderile de comutare ale diodei. Convertoarele mod de tranziţie pot opera eficient cu diode ieftine de siliciu, cât timp acestea au viteze de comutare moderat-rapide. Comparativ, circuitele cu curent continuu necesită deseori diode scumpe siliciu-carbon pentru eficienţă ridicată.
Figura 2 prezintă schema unui PFC fix on-time construit în jurul unui IC economic pentru control mod tranziţie cu 8 pini. Acest circuit utilizează un rezistor de detecţie curent pentru a detecta curentul de zero şi suprasarcinile, dar altfel nu se bazează pe detecţia de precizie a curentului. Cu acest IC, curentul este limitat la mai puţin de 425mV pe rezistorul de detecţie a curentului. Prin comparaţie, circuitele tipice de control al factorului de putere care folosesc reacţie de curent au semnale limită maximă de curent între 1V şi 2V, crescând semnificativ pierderea de putere în rezistorul de detecţie a curentului.

De ce intercalare?
Toate sursele în comutaţie conduc o parte din energia de comutare în linia de alimentare prin riplul de curent. Riplul curentului poate fi mai mare, cum se întâmplă cu un PFC cu mod de tranziţie cu riplu de 200%, sau mai mică cum este cazul unui PFC cu mod de curent continuu cu riplu de 60%. Deşi reprezintă o îmbunătăţire de 10dB, aceasta vine în defavoarea unui inductor ridicător de tensiune mai mare. Indiferent de abordare, este nevoie de o formă de filtru EMI.
Dacă construim două circuite PFC identice şi le operăm cu defazaj de 180°, riplul curentului în două faze combinat ar fi semnificativ mai mic decât riplul mono-fază producând aceeaşi putere totală. Prin urmare, ar putea fi folosit un filtru EMI de intrare mult mai mic. Operând două faze cu un factor de umplere de exact 50% reduce riplul la zero! La factori de umplere diferiţi, reducerea riplului este mai mică, dar încă semnificativă. Operarea a două trepte identice cu defazaj de 180° se numeşte intercalare, care este practică astăzi datorită circuitelor puternic integrate.
Figura 3 prezintă oscilaţia de curent redusă realizată prin intercalarea a două trepte de putere pentru factori de umplere diferiţi.
Un avantaj al intercalării este riplul redus a curentului de ieşire. Aceasta permite un condensator de ieşire mai mic, sau mai puţină solicitare de curent pe selecţia condensatorului original – rezultând într-o viaţă mai lungă şi o fiabilitate mai mare. Un alt avantaj este acela că pot fi folosite două componente mai mici în locul uneia mai mari. Acesta include un inductor ridicător de tensiune, MOSFET-ul de putere şi dioda de putere. Aceste componente mai mici permit o dispunere distribuită pe placă, care disipă căldura de la diferite dispozitive de putere şi dă posibilitatea existenţei unor sisteme cu profiluri mai mici de putere. Intercalarea permite de asemenea o putere mai mare decât ar fi posibilă cu o arhitectură mono-fază. Două trepte PFC mono-fază deja existente de 250W pot fi uşor intercalate, dezvoltând rapid un PFC cu 500W putere din aceleaşi componente.

PFC CCM intercalat tipic
Figura 4 prezintă un PFC intercalat cu mod de curent continuu, complet construit în jurul lui UCC28070, un IC controler intercalat PFC. Acest controler de frecvenţă fixă include toate circuitele de control necesare pentru două trepte PFC intercalate, cât şi oscilaţii corectoare de frecvenţă. Structura PFC utilizează transformatoare cu detecţie de curent T1 şi T2 pentru a monitoriza curentul de drenaj al MOSFET-ului de putere. Acesta produce un semnal care reprezintă curentul când MOSFET-ul de putere este pornit. Curentul inductor în timpul restului ciclurilor de comutare este reconstruit de IC pe baza tensiunii de intrare şi de ieşire. Această tehnologie a sintezei de curent utilizează doar două transformatoare de curent faţă de patru pentru reconstruirea curentului inductor, reducând costul total al sistemului.
IC-ul reglează curentul în fiecare inductor cu două bucle de reacţie independente, rapide de curent mediu. Bucla de reacţie lentă per total a tensiunii este împărţită de două bucle de curent. În acest fel, cele două bucle de curent au aceeaşi referinţă de curent şi asigură echilibrarea curentului între cele două canale.
PFC-ul lucrează la o frecvenţă de comutare setată de RRT. Dacă este nevoie de o sursă de alimentare foarte densă, structura poate opera la viteze de comutare de până la 300kHz sau mai mult, permiţând să fie folosiţi inductori foarte mici. Pentru eficienţa cea mai mare, totuşi, este recomandată comutarea la < 75kHz. Oscilaţia corectoare de frecvenţă, care reduce mai mult zgomotul EMI, este implementată de asemenea şi programată de condensatorul CCDR şi rezistenţa RRDM. Factorul de umplere maxim este setat de RDMAX. Startul lin este programat de CSS. Structura lucrează în mod continuu sau discontinuu, în funcţie de curentul de sarcină. Astfel, pentru D1 şi D2 sunt recomandate diode siliciu-carbon de viteză ridicată. Selectarea condensatorului de ieşire, COUT, permite operaţia convertorului în aval în timpul celei mai lungi căderi aşteptate a liniei. Deşi nu este specificat, este de obicei necesară filtrarea EMI a intrării. PFC TM intercalat tipic
Figura 5 prezintă un PFC cu mod de tranziţie intercalat complet construit cu UCC28060, primul IC controler PFC intercalat din industrie. Structura profită de avantajele modulării frecvenţei inerente în controlul modului de tranziţie. Acesta lărgeşte spectrul EMI şi reduce filtrarea EMI necesară. UCC28060 implementează de asemenea managementul fazelor, o tehnică puternică pentru îmbunătăţirea eficienţei totale prin comutarea între operarea cu două faze la sarcini mari şi operarea mono-fază la sarcini mici. Avantajele UCC28060 sunt că pot fi folosite diode de preţ mic şi inductoare mai mici.
Inductoarele L1 şi L2 au fiecare o a doua înfăşurare pentru detectarea curentului inductor zero şi începerea unui nou ciclu de comutare. Rezistenţele RZA şi RZB combinate cu condensatoarele CF4 şi CF5 înlătură semnalul de zgomot. Acestea furnizează de asemenea o întârziere mică, permiţând drenării MOSFET să rezoneze la cel mai jos nivel al său. Deşi imperfectă, această aproximare la comutarea de tensiune zero poate îmbunătăţi randamentul prin minimizarea energiei pierdute descărcând capacitatea drenei MOSFET-ului de putere în momentul în care acesta se deschide.
Acest convertor utilizează controlul fix on-time pentru a realiza un factor de putere ridicat, astfel încât curenţii MOSFET-unui de putere nu sunt detectaţi. Un rezistor de detecţie a curentului total, RS, este folosit pentru a preveni comutarea în timpul pornirii în grabă şi pentru a opri comutarea în cazul improbabil al unei suprasarcini.
Convertoarele de comutare cu o sarcină constantă au impedanţă de intrare negativă la frecvenţe joase. În alte cuvinte, pe măsură ce creşte tensiunea de intrare, reacţia de tensiune reduce curentul de intrare pentru a menţine constantă tensiunea de ieşire. Acest lucru poate cauza instabilitatea filtrului EMI. Pentru a minimiza riscul şi pentru a ajuta la reducerea intrării EMI, se recomandă folosirea unui mic condensator de tensiune ridicată CIN pe ieşirea punţii de rectificare. Pentru un convertor de 300W, poate fi suficient un condensator de 1mF. Această valoare a condensatorului ar trebui să fie cât mai mică posibil pentru a economisi costul şi pentru a menţine un factor de putere ridicat pe linie.
Acest convertor utilizează două trasee independente pentru detecţia tensiunii de ieşire. Unul detectează tensiunea de ieşire folosind pinul VSENSE şi divizorul RC şi RD. acest circuit de detecţie este utilizat pentru a stabiliza tensiunea de ieşire şi pentru a opri convertorul în cazul unei supratensiuni la ieşire. Al doilea traseu utilizează pinul HVSEN şi divizorul RE şi RF. Acest din urmă traseu implementează o detecţie redundantă a supratensiunii pentru siguranţă. El detectează de asemenea tensiunea de ieşire pentru a comuta la sarcină. Ieşirea PWMCNTL trece în stare logică inferioară când tensiunea de ieşire este destul de ridicată pentru o operaţie. PWMCNTL se schimbă (trece pe impedanţă ridicată) când tensiunea de ieşire scade sub prag sau când pe una din treptele de putere are o eroare.

Operarea cu sarcini mici
Convertoarele sunt proiectate pentru multe atribute de performanţă la sarcină maximă, inclusiv eficienţa la vârf, temperaturi sigure de operare, operarea fiabilă a componentelor şi abilitatea de a opera în cazul unei căderi a liniei de putere. Totuşi, performanţa în timpul operării la sarcini mici este de asemenea importantă. Standarde ca Blue Angel şi Energy Plus impun standardele de eficienţă la sarcină maximă şi la sarcină mică.
Figura 6 compară randamentul unui PFC intercalat standard operând atât la modul mono-fază cât şi modul cu fază dublă. Deşi intercalarea oferă un randament excelent şi fiabilitate la sarcină maximă, randamentul la sarcină mică este mai mare doar cu comutare mono-fază. Acest lucru se întâmplă deoarece energia consumată cu capacitatea de drenaj devine dominantă la sarcini uşoare.
Un PFC intercalat practic ar trebui să treacă la operarea mono-fază la sarcină mică. Punctul de trecere optim este în funcţie de linia de tensiune şi alte variabile din structură. Pentru a facilita Blue Angel şi alte standarde similare, optimul pentru trecerea la mono-fază trebuie realizat înainte de 20% din sarcină.
În lipsa sarcină, standardele cer consum de putere staţionar extrem de scăzut. Deşi standardul de acum Energy Star® permite nu mai mult de 0,5W, standardele viitoare vor cere 0,3W, fiind aşteptate chiar şi valori mai scăzute. Pentru a realiza acest consum de putere ultra-mic, cea mai practică soluţie este destabilizarea completă a ridicătorului de tensiune PFC şi rularea PWM-ului din aval de la linia de putere ne-ridicătoare de tensiune, nerectificată.
PFC-ul cu mod tranziţie intercalat UCC28060 (Figura 5) conţine circuite pentru gestionarea fazelor care comută între două faze, mono-fază şi închidere, în funcţie de sarcină.

Minimizarea zgomotul acustic
Condensatoarele, inductorii, radiatoarele şi protecţiile pot vibra sesizabil datorită semnalelor de la convertorul care comută. Convertoarele care comută lucrează la peste 200kHz, dar anumite linii şi condiţii de sarcină pot stimula vibraţi auzibile.
Un exemplu este tranziţia de la sarcină maximă la sarcină mică. Deşi condensatorul de ieşire scade efectul pe treapta de sarcină de pe convertor, convertorul trebuie să schimbe on-time factorul de umplere printr-o valoare mare pentru a regla tensiunea de ieşire, în timp ce bucla de reglare a tensiunii trebuie să fie lentă pentru a asigura un factor de putere bun.
În acest exemplu, o suprasarcină a ieşirii este inevitabilă. Dacă suprasarcina este prea mare, condensatorul de ieşire sau convertorul de putere care urmează pot fi deteriorate. Astfel, IC-urile PFC cum sunt UCC28060 conţin amplificatoare de eroare cu răspuns rapid neliniar la suprasarcini foarte mari. Pentru anumite trepte de sarcină, acest lucru aduce rapid ieşirea înapoi în parametri. Dar pentru treptele cele mai rele, chiar şi aceste bucle rapide neliniare nu pot răspunde destul de rapid şi protecţia de supratensiune a ieşirii va ceda, închizând convertorul.
Convertorul va reporni când ieşirea scade sub cel mai mic prag de supratensiune. Acesta poate face câteva cicluri de frecvenţă joasă a supratensiunii de ieşire urmate de o scădere la sarcină zero înainte ca bucla să revină în parametri. Aceste cicluri de frecvenţă mică pot fi auzibile sau altfel-spus indezirabile. Pentru a preveni această problemă, unele IC-uri PFC cum este UCC28061 se opresc şi repornesc încet ca răspuns la o suprasarcină puternică. UCC28061 este foarte asemănător cu UCC28060, dar este optimizat pentru sisteme cu domeniu foarte larg de sarcini.

Concluzii
Epoca PFC-urilor intercalate a sosit, şi odată cu ea, noi progrese pentru proiectanţii de surse de alimentare de pe tot globul. Pot fi atinse acum randamente mai mari, în factori de formă mai mici, la un cost total al sistemului identic sau chiar mai mic. Acesta este o tendinţă despre care merită să se discute!
[1] “High efficiency power factor correction using interleaving techniques” Miwa, B.A.; Otten, D.M.; Schlecht, M.E.; APEC ’92. Conference Proceedings 1992; pp 557-568; Digital Object Identifier 10.1109/APEC.1992.228361

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre