我们应该如何应对日益严苛的能效标准挑战

2017-12-12来源: EEWORLD关键字:德州仪器  谐振控制器  UCC256301

引言

随着越来越多的电子产品进入人们的生活,人类对电能的消耗也越来越大。世界银行最新的报告显示,全球人均电能消费已经从1,200千瓦时攀升到3,200千瓦时。而在这“巨额”消费中,实际上有相当一部分是被浪费掉了——根据测算,家用电器的总能耗中有12%~18%是被待机功耗这个“黑洞”吞噬掉了,如果将电子设备待机时消耗的电能加在一起,相当于50个大型电厂的年发电量。

为了有效控制待机功耗的增长,各国都制订了日益严苛的能耗标准。如美国能源部DoE标准规定:5W~49W的电器设备无负载时的待机功耗要低于0.1W,50W以上的设备的待机功耗要小于0.21W。欧盟能耗标准COC Tier 2对待机功耗的要求更为严格,它对于5W~49W和50W以上电器的待机功耗上限分别是0.075W和0.15W。这无疑给电子设计工程师的工作带来了更大的挑战。

为了应对这一挑战,应用创新性的电源管理技术和产品,显然是一条“捷径”。Texas Instruments(TI)公司最新推出的LLC谐振控制器UCC256301,就是电子工程师们在设计AC/DC应用时不可错过的一个新选择。

低待机功耗 :超乎想象

UCC256301在稳压状态下可以实现小于40mW的待机功耗,在10%的负载下效率高达90%以上,可以帮助电子产品轻松满足CoC Tier 2和DoE 6级所规定的能效标准。

之所以UCC256301在待机功耗上有如此出色的表现,主要是由于该器件基于一种全新的突发(Burst)工作模式。工作在这种模式下,如果变换器输出的功率减小,控制环路的输出就会降低,当环路输出低到系统设定的关断阈值时,器件里面的MOS管就会彻底关断,使得能量不会从输入端流到输出端,输出电压就会随之下降。而当输出电压下降之后,控制环路的输出又开始上升,当环路的输出值超过开通阈值的时候,变换器重新开始正常工作,输出电压随之上升。由于开通阈值远远高于关断阈值,所以变换器在轻载时就会有很长的一段时间处于不工作的状态,不会有功率消耗,因此也就可以实现更低的待机功耗。

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图1,UCC256301产品及电路图

这一工作原理看似简单,实际上其中包含着一项TI独有的专利控制算法——混合滞回控制技术(HHC)。传统的LLC控制器采用的是直接频率控制(DFC),这种调制方式在输出功率较小时,开关频率会增加到非常高,这样一来与开关频率相关的开关损耗、变压器磁极损耗以及驱动损耗,都会大幅度地增加,很难确保在轻负载时获得高效率和低功耗。而HHC恰恰是颠覆了以往传统的控制技术,让“不可能”的事成为现实。本文就带大家见识一下TI的这一“独门秘笈”。

关键的瞬态响应

在深入了解HHC技术之前,我们先来关注一个电源转换过程中的重要指标——瞬态响应。瞬态响应描述的是当转换器输出负载电流发生突发变化时电源系统的响应特性,也就是转化器对瞬态负载变化的快速反应能力。

图2展示了一个典型的电源转换器瞬态响应过程。可以看到,当负载电流突然增加时,由于转换器控制环路无法对负载的变化做出及时响应,所以输出电压会有一个明显的下跌,这是由于输出电容要对负载进行额外的充电。之后,控制环路开始做出反应,经过一段稳定时间(settling time)后将输出电压重新稳定到设置点。同样的,在负载电流突然下降时,由于控制环路响应的滞后,会让输出电容累积更多的电量,造成一段时间内输出电压的显著上拉。因此可以看到,瞬态响应不佳,会让输出电压产生一个电压偏差(voltage deviation),而且重新稳压也需要一个过程,在某些情况下这会导致设备的失控甚至关机,这显然是电源系统设计的大忌。


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图2,电源转换器瞬态响应示意图

由此我们也可以看出,瞬态响应特性的优劣与电源转换器控制环路响应特性直接相关。控制环路带宽越大,响应时间越短,能够让转换器对负载的突发状况作出更快的反应。同时,控制环路的相位裕度(phase margin)会直接影响到稳定时间的长短,相位裕度不足会导致欠阻尼响应,在输出电压上产生振铃,所以通常情况下,推荐的控制环路相位裕度不能小于45°。此外,为了减小电压偏差,在系统设计时还会考虑采用大容值的输出电容,当然这也意味着更大的系统体积和更高的物料成本。

传统的环路控制方法是直接频率控制(DFC),它的控制策略是由补偿模块反馈产生一个门驱动信号合适的频率,通过开关频率的调整去调节频率调制模块的增益,进而获得所需的输出电压。这种方法历史悠久,但是由于它的补偿设计十分困难,通常需要有复杂的计算模型和反复迭代实验才能获得满意的效果。这对工程师来说是很大的挑战。因此,找到一种既简单又高效的环路控制方法就成了电源管理技术创新的焦点。


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图3,传统的DFC直接频率控制电路

创新的混合滞回控制技术

为此,混合滞回控制技术(HHC)应运而生,这是一种结合了频率控制和充电控制的独特方案。根据测试数据,采用HHC技术的UCC256301瞬态响应速度提升了10倍。

HHC技术的工作原理见图4。共振电容电压VCR从C1和C2组成的电容分压器中采样。VCR与两个由门驱动信号控制的电流源相连。当VCR节点上输入或输出电流时,一个三角形的补偿斜波叠加在这个节点电压上。


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图4,HHC方案系统框图

我们将VCR节点上正常模式下的电压定义为VCM,将控制环路补偿输出的补偿电压定义为VCOMP,由这两个值确定两个开关逻辑阈值:VTHH和VTHL,它们的计算公式如下:


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VCR节点上电压会与上述两个逻辑阈值做比较,当VCR电压高于VTHH时,高边的开关关闭,当VCR电压低于VTHL时,低侧的开关关闭。HO和LO开关触发边沿就是由这个自适应电路来控制。


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图5,HHC的控制策略

与传统的DFC方法相比,HHC的控制策略使用环路输出的控制量直接来控制变换器的输入功率,将由控制信号到输出电压的传递函数简化成一阶系统,这让补偿设计变得非常简单,同时让带宽大幅度提升。此外,控制效果直接与谐振回路输入电流相关,它具有固有的内在前馈,可以获得更出色的输入线瞬态响应。

新技术带来的改变

测试结果验证了HHC环路控制方案的“功力”。采用传统DFC技术的LLC转换器,带宽为1.75kHz,具有60°的相位裕度。从图6a中可以看到,当转换器相位裕度较好时,带宽却表现不佳。而采用HHC技术的LLC转化器,则可实现高达6kHz的带宽,相位裕度也达到了50°,能够满足快速瞬态响应的需要(见图6b)。


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图6,采用DFC和HHC方法的转换器带宽和相位裕度比较

从瞬态响应的实际效果来看,图7a中显示采用DFC技术的LLC转换器,当输出电流突然增加时,输出电压出现了一个明显的下降,输出电压最大偏差超过了20%,而且需要2ms才能重新恢复到稳压状态。与之相对照,图7b中采用HHC技术的LLC转化器的瞬态响应能力显著提升,当负载发生从零到满载的瞬态突变,最大的输出电压偏差仅为1.25%,稳定时间也只需要200μs。


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图7,采用DFC和HHC方法的转换器瞬态响应性能比较

HHC技术为LLC转换器带来的另外一个优化就是,不再需要大容值的输出电容,所以与DFC相比在最终电源系统外形尺寸和BOM优化上也能够更胜一筹。

更低待机功耗,从UCC256301开始

综上所述,正是由于采用了创新的HHC环路控制技术,TI最新推出的LLC控制器UCC256301实现了更为出众的瞬态响应特性,有了这样的瞬态响应能力UCC256301得以在深度突发模式下工作,进而优化整个电源系统的待机功耗,让开发者能够轻松应对日益严苛的AC/DC应用能效标准的挑战。这就是UCC256301“更省电”的秘诀所在。

因此UCC256301可以广泛适用于包括数字电视、游戏适配器、台式电脑和笔记本电脑适配器,以及电动工具电池充电器在内的产品领域。实际设计中,工程师还可将UCC256301与TI功率因数校正(PFC)控制器和同步整流(SR)控制器配对使用,以提高系统效率。我们可以来看看以下几个参考设计实例。

图8所示的参考设计是一个24V直流输出、额定功率480W、峰值功率720W的AC/DC工业电源参考设计,可在85~265 VAC宽电压输入范围内提供电能转换传输。该设计包括一个前端的PFC电路和一个高可靠的LLC级——LLC控制器采用的就是UCC256301——在宽负载范围内的效率能够达到93.5%以上,加之LLC控制器具备内置保护功能,使设计更加可靠,可在没有任何强制冷却机制的条件下工作。()


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图8,24V直流输出、额定功率480W的AC/DC工业电源参考设计

图9所示是一个具有出色效率和瞬态响应表现的AC/DC转化器参考设计,在单层PCB上可支持85~265 VAC宽输入范围,以及12V/5V/3.3V的多DC电压输出,最高功率可达450W,适用于游戏机、台式机或其它AC/DC PSU。  该设计的核心器件包括前端PFC级的控制器UCC28180、LLC级控制器UCC256301、同步整流控制器UCC24612,以及低导通电阻MOSFET,效率达到93%,能效表现达到了80Plus铂金级的水平。()


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图9,效率93%、最高功率450W的AC/DC电源参考设计

除了上述的参考设计,为了能够让开发者能够尽快应用UCC256301开展设计工作,TI还提供了一系列设计资源支持,如:、、,以及等。

总之,UCC256301 LLC控制器是一颗直戳AC/DC电源设计“痛点”的产品,其低至40mW的优异待机功耗表现、比传统控制方式快10倍的瞬态响应速度、更大的BOM和系统体积优化的空间、高集成度和高可靠性的功能配置、完整的设计资源支持,让人忍不住想尽快上手一试。想必它也不会让你失望,令你未来的电源设计如虎添翼。


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关键字:德州仪器  谐振控制器  UCC256301

编辑:冀凯 引用地址:http://news.2689mr.com/dygl/article_2017121227847.html
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