تقنية PFC توفر كفاءة عالية
أصبحت شواحن USB-PD أصغر حجمًا. تم استخدام تقنيات مختلفة لتقليل حجمها ، إلا أن بعض مكونات الطاقة – على وجه التحديد ، محث التعزيز ، والصمام الثنائي المعزز ، ومفتاح التعزيز المتكامل – تظل تستهلك مساحة بعناد. دائرة متكاملة جديدة ، تستخدم في تصميمات طوبولوجيا تعزيز تصحيح عامل القدرة (PFC) ، تعالج هذه المشكلة.
تندرج دارات PFC المعززة النموذجية في واحدة من ثلاث فئات ، اعتمادًا على كيفية تدفق التيار في محث التعزيز خلال كل دورة تبديل: وضع التوصيل المتقطع (DCM) ، والوضع الحرج (يُشار إليه أحيانًا باسم وضع الحدود) ووضع التوصيل المستمر (CCM). الدائرة الأساسية هي نفسها لكل وضع تشغيل: يخزن محث التعزيز الطاقة عند تشغيل مفتاح الطاقة ، ويتم نقل هذا إلى الإخراج عبر الصمام الثنائي التعزيزي عند إيقاف تشغيل MOSFET التعزيز. يتتبع تيار الإدخال الموجة الجيبية لجهد الدخل ، مما يضمن عامل طاقة جيد. يصبح التشوه أثناء عبور الجهد الصفري في نهاية كل دورة خط وتأثير سعة مرشح EMI (عند حمل الضوء) أكثر وضوحًا عند الخط العالي ويشوه شكل الموجة الحالية ، مما يزيد من التشوه التوافقي الكلي.
DCM عبارة عن تحويل ذي تردد ثابت ، ويسمح محرك التحكم للتيار الأمامي لمحث التعزيز بالهبوط إلى الصفر في كل مرة يتم فيها إيقاف تشغيل MOSFET التعزيز. بعد تأخير ، يتم تشغيل الطاقة MOSFET ويبدأ التيار مرة أخرى في الارتفاع في محث التعزيز. الوقت الميت ، حيث لا يتدفق تيار محث ، يعني أن الصمام الثنائي المعزز يتبدل عندما يتدفق صفر تيار ويمكن أن يكون نوعًا منخفض التكلفة بدون خاصية الاسترداد العكسي الغريبة. التحكم سهل التنفيذ ، مدفوع بحلقة ردود فعل بسيطة من مرحلة الإخراج. متوسط تيار التبديل مرتفع ، مما يستلزم زيادة أكبر وأكبر في MOSFETs مع زيادة الطاقة. لهذا السبب ، تقتصر دوائر PFC التقليدية المعززة DCM عادةً على مزودات الطاقة التي توفر أقل من 150 واط ، ويجب أيضًا أن تنشئ دوائر التعزيز DCM حدًا أدنى للجهد التعزيزي أعلى قليلاً من دوائر PFC المعززة CrM أو CCM (الشكل 1).
يختلف تحويل تعزيز CrM عن DCM في أن التعزيز MOSFET يتم تشغيله بمجرد أن يصل تيار محث التعزيز إلى الصفر. بهذه الطريقة ، يتجنب الصمام الثنائي التعزيز أي خسائر تفرضها الاسترداد العكسي (مرة أخرى ، يمكن استخدام الصمام الثنائي البسيط). يحتوي CrM على تيار محث RMS أقل من DCM ، مما يجعله الخيار المفضل لتحويل طاقة أعلى ، حتى 250 واط تقريبًا (على الرغم من أن تنفيذ تقنيات CrM المشذرة زاد من قيود الطاقة هذه). نظرًا لأن دورات التبديل تحكمها منحدر وانحلال تيار المحرِّض عبر دورة الخط ، فإن CrM عبارة عن تنفيذ PFC متغير التردد ، مع الحد الأدنى من التردد عند ذروة جهد الخط لكل دورة (الشكل 2). تعتبر وظيفة وحدة التحكم أكثر تعقيدًا مما هي عليه في ، حيث يجب مراقبة تيار المحرِّض لبدء التبديل.
التنفيذ النموذجي الثالث لتعزيز PFC هو CCM (الشكل 3). في هذه التقنية ، يتم تشغيل دفعة MOSFET قبل أن ينخفض تيار المحرِّض إلى الصفر. يؤدي هذا إلى انخفاض متوسط تيارات التبديل والمحث ، لكن الصمام الثنائي المعزز يتبدل أثناء تدفق التيار ، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في التعافي العكسي ، والتي تظهر على شكل حرارة في MOSFET المعزز. للتخفيف من هذه المشكلة ، تُستخدم الثنائيات ذات الاسترداد العكسي المنخفض عادةً في دوائر CCM ، مما يضيف عبئًا كبيرًا من التكلفة إلى التصميم. نظرًا لأن متوسط التيار الكهربائي والمحث أقل من الطرق الأخرى ، فإن CCM تصبح جذابة بشكل متزايد لأنظمة الطاقة الأعلى ، حيث يمكن أن تعوض تكلفة التبديل المنخفضة عن الصمام الثنائي الأكثر تكلفة. عادةً ما يكون تبديل CCM ثابت التردد.
أكبر مكون في دائرة PFC المعززة هو محث التعزيز. يجب أن يخزن محاثة التعزيز طاقة كافية لتشغيل دائرة PFC عبر جهد الخط. أسوأ حالة تتحكم في الحد الأدنى من محاثة التعزيز هي أدنى خط جهد لخط الإدخال وأقصى حمل. الحث التعزيز يتناسب عكسيا مع تردد التبديل (الشكل 4).
تعد زيادة تردد التبديل لتقليل حجم المحرِّض خيارًا ، ولكن زيادة خسائر التبديل وتميل EMI إلى الحد من نطاق تردد التبديل إلى أقل من 150 كيلو هرتز. لتجنب نطاق الضوضاء المسموعة ، فإن الحد الأدنى لتردد التبديل يقتصر أيضًا على حوالي 20 كيلو هرتز. كما هو مذكور أعلاه ، تميل تصميمات CrM إلى الاقتراب من الحد الأدنى للتردد بزاوية طور π / 2 ، حيث يكون جهد الخط أقصى (الشكل 5). هذه أيضًا هي النقطة المحددة للحد الأدنى من محاثة التعزيز. دوائر DCM ذات التردد الثابت أفضل قليلاً ، حيث يكون لها تردد أعلى في هذه النقطة المحددة. في حين أن دفع تردد التبديل لدائرة PFC المعززة DCM للحد من حجم المحرِّض أمر جذاب (خاصة بالنظر إلى حقيقة أن سلك اللف يجب أن يكون أكثر سمكًا للتعويض عن متوسط التيار العالي) ، تميل خسائر التحويل إلى التراكم مع خسائر التوصيل الأعلى للطوبولوجيا ، مما يحد تبديل التردد إلى أقل من 50 كيلو هرتز. تعد دوائر CCM أكثر مرونة (خاصة دوائر CCM ذات التردد المتغير ، مثل تلك المستخدمة في HiperPFS-4 ICs من Power Integrations) ولكنها عادةً ما تكون فعالة من حيث التكلفة فقط عند طاقة أعلى.
تحكم DCM متغير التردد وظهور تقنية PowiGaN
غيرت مفاتيح الطاقة القائمة على نيتريد الغاليوم الطريقة التي ننظر بها إلى تبديل مصادر الطاقة. منخفض RDS (تشغيل) تمكّن أجهزة GaN من DCM تعزيز PFCs للعمل عند مستويات طاقة أعلى دون تقليل الكفاءة بسبب فقد التوصيل (أو فقدان التبديل المفروض إذا كان المفتاح أكبر للتعويض). يجب على المصممين أيضًا أن يأخذوا في الاعتبار محرك تحكم متغير التردد (أمبير في الثانية في الوقت المحدد وفولت ثانية للتحكم في وقت التوقف) ، بالإضافة إلى تبديل الوادي لمفتاح الطاقة ، لذلك يصبح DCM خيارًا جذابًا لتعزيز PFC. من خلال ضبط تشغيل محرك التحكم في DCM بحيث يقترب من CrM في ذروة تشغيل الخط المنخفض (حمولة كاملة) ، يمكن تحقيق الأداء الأمثل.
سنناقش في مقال منفصل نهج التحكم الذي يتيح تبديل الطيف المنتشر لتقليل EMI وانزلاق التردد لزيادة الكفاءة عند الحمل الخفيف ، وكذلك تبديل الوادي لتقليل فقدان التبديل أثناء التشغيل. ومع ذلك ، فمن الجدير أخذ لحظة للنظر في تأثير التردد المتغير على أكبر مكون PFC: محث التعزيز.
توضح المعادلة في الشكل 6 حساب الحد الأدنى من محاثة التعزيز ويتم حسابها عند الخط المنخفض. في الوقت الحالي ، سننظر في تأثير تردد التبديل المتغير على حجم المحرِّض. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون التردد مرتفعًا في ذروة الموجة الجيبية لتقليل حجم محث التعزيز. لسوء الحظ ، تقوم خوارزمية التحكم في قوى التحكم التقليدية في CrM بتبديل التردد إلى أسفل في ذروة الموجة الجيبية (π / 2). هذا لأن تيار التبديل المطلوب من دائرة التعزيز هو الحد الأقصى عند تلك النقطة ، ومع الانحدار المحدود للتغير الحالي (المحدد بواسطة محاثة التعزيز) ، يجب أن ينخفض التردد للسماح بوقت كافٍ لمنحدر تيار محث التعزيز والاسترخاء. باستخدام نهج DCM متغير التردد ، يتم الوصول إلى ذروة التردد عند π / 2.
الفرق في تبديل التردد له تأثير كبير على الحث. في المثال الموضح (الشكل 7) ، يقلل نهج DCM من الحث بأكثر من 50٪ ، مما يسمح باستخدام محث أصغر بكثير مع عدد أقل من المنعطفات. ليس من غير المألوف أن تعمل تصميمات CrM عند حوالي 20 كيلو هرتز (الحد الأدنى للتردد) عند π / 2 90 VAC والحمل الكامل ، بينما سيعمل محرك DCM متغير التردد عند 80 كيلو هرتز في ظل ظروف مماثلة (حمل 220 واط). هذا من شأنه أن يقلل من تحريض التعزيز بمقدار الثلثين.
يمكن رؤية فائدة هذا النهج في عائلة HiperPFS-5 الجديدة من الدوائر المتكاملة من Power Integrations. يقلل IC محول PFC المتكامل بشكل كبير من عدد المكونات ويبسط التصميم ، بينما يستخدم محرك التحكم DCM متغير التردد تبديل الوادي و R منخفضDS (تشغيل) 750-V PowiGaN FET لتحقيق أكثر من 98٪ من الكفاءة عند 250 واط. انزلاق التردد يعني أن الكفاءة ثابتة فوق 20٪ من الحمل. إن إضافة دائرة تحسين عامل القدرة ، والتي تعوض مكونات المرشح عند الحمل الخفيف ، تضمن أن PF أكبر من 0.96 فوق حمولة بنسبة 20٪.
ينتج عن تقنية الدائرة هذه التي تستخدمها عائلة HiperPFS-5 التابعة لتكامل الطاقة مرحلة PFC التي تستخدم محث تعزيز صغير جدًا ومنخفض التكلفة وصمام ثنائي بسيط ومفتاح تعزيز متكامل. تعتبر الأسرة الجديدة مثالية لشواحن USB PD عالية الطاقة وشواحن الأدوات وتطبيقات تلفزيون / شاشات LCD. كما أن PF المرتفع عند التحميل الخفيف والكفاءة المسطحة عبر نطاق التحميل يجعل الأسرة مثالية لأجهزة الكمبيوتر 80 Plus Platinum و Titanium امدادات الطاقة.
لمزيد من المعلومات ، يرجى زيارة موقع ويب Power Integrations.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
