TI方案UCC28810應(yīng)用實(shí)例

TI方案UCC28810應(yīng)用PFC反激用切實(shí)可行的螺紋旋入式LED來替代白熾燈泡可能還需要數(shù)年的時間，而在建筑照明中LED的使用正在不斷增長，其具有更高的可靠性和節(jié)能潛力。同大多數(shù)電子產(chǎn)品一樣，其需要一款電源來將輸入功率轉(zhuǎn)換為LED可用的形式。在路燈應(yīng)用中，一種可行的配置是創(chuàng)建300V/0.35安培負(fù)載的80個串聯(lián)的LED。在選擇電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，需要制定隔離和功率因數(shù)校正（PFC）相關(guān)要求。隔離需要大量的安全權(quán)衡研究，其中包括提供電擊保護(hù)需求和復(fù)雜化電源設(shè)計之間的對比權(quán)衡。在這種應(yīng)用中，LED上存在高壓，一般認(rèn)為隔離是非必需的，而PFC才是必需的，因?yàn)樵跉W洲25瓦以上的照明均要求具有PFC功能，而這款產(chǎn)品正是針對歐洲市場推出的。就這種應(yīng)用而言，有三種可選電源拓?fù)洌航祲和負(fù)洹⑥D(zhuǎn)移模式反向拓?fù)浜娃D(zhuǎn)移模式（TM）單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）拓?fù)?。?dāng)LED電壓大約為80伏特時，降壓拓?fù)淇梢苑浅Ｓ行У乇挥糜跐M足諧波電流要求。在這種情況下，更高的負(fù)載電壓將無法再繼續(xù)使用降壓拓?fù)?。那么，此時較為折中的方法就是使用反向拓?fù)浜蚐EPIC拓?fù)?。SEPIC具有的優(yōu)點(diǎn)是，其可鉗制功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)波形，允許使用較低的電壓，從而使器件更為高效。在該應(yīng)用中，可以獲得大約2%的效率提高。另外，SEPIC中的振鈴更少，從而使EMI濾波更容易。圖1顯示了這種電源的原理圖。460460圖1：轉(zhuǎn)移模式SEPIC發(fā)揮了簡單LED驅(qū)動器的作用。該電路使用了一個升壓TMPFC控制器來控制輸入電流波形。該電路以離線為C6充電作為開始。一旦開始工作，控制器的電源就由一個SEPIC電感上的輔助繞組來提供。一個相對較大的輸出電容將LED紋波電流限定在DC電流的20%。

補(bǔ)充說明一下，TMSEPIC中的AC電通量和電流非常高，需要漆包絞線和低損耗內(nèi)層芯板來降低電感損耗。圖2和圖3顯示了與圖1中原理圖相匹配的原型電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與歐洲線路范圍相比，其效率非常之高，最高可達(dá)92%。這一高效率是通過限制功率器件上的振鈴實(shí)現(xiàn)的。另外，正如我們從電流波形中看到的一樣，在96%效率以上時功率因數(shù)非常好。有趣的是，該波形并非純粹的正弦曲線，而是在上升沿和下降沿呈現(xiàn)出一些斜度，這是電路沒有測量輸入電流而只對開關(guān)電流進(jìn)行測量的緣故。但是，該波形還是足以通過歐洲諧波電流要求的。#%騙%鄒%曙譬SX_-221O5@WMIlf普#%騙%鄒%曙譬SX_-221O5@WMIlf普UJ87*86%J7SInputVotl-agi!|Vrin5->—i—3<iQVLe&$lning87*86%J7SInputVotl-agi!|Vrin5->—i—3<iQVLe&$lningD.&515廿 175 2M 22S 250 275li如?誦占犖(VfffliS)-*-2WVL￡p$&ir*g-*—JMVLECI￡*ing圖2：TMSEPIC具有良好的效率和高PFC效率。LINELINE圖2：線路電流輕松地通過EN61000-3-2ClassC標(biāo)準(zhǔn)。感謝TI的BrianKing在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方面提供的幫助。下次，我們將討論降低電源噪聲的擴(kuò)頻技術(shù)，敬請期待。本文在相同的條件下對SEPIC及反激(Flyback)式拓?fù)溥@兩種電源進(jìn)行了比較,闡述了這兩種電源方案的元件主要參數(shù)和特t性］時基于實(shí)例給出了每種拓?fù)涞脑碗娐吩O(shè)計。文章得出的結(jié)論是SEP良的效率更高，但是需要使用更大的磁性元件。iririTUfjrJlJLJ|.LilLILJJULa .mil:L1；-IL31超；SEPIC 層Jft氏描廿圖1:典型汽車立體聲音響系統(tǒng)電源演示板(左邊為SEPIC,右邊為反激式拓?fù)洹Ｔ诤芏鄷r候，設(shè)計者們總是要面對一組非孤立存在的電源規(guī)格參數(shù)，其中輸出電壓介于輸入電壓的最大值與最小值之間。他們必須在SEPIC及反激式拓?fù)渲g作出選擇。通常，他們會選擇反激式拓?fù)?，主要原因是對SEPIC缺乏了解，而這種選擇可能并不是最合理的。表1列出了汽車立體聲音響系統(tǒng)的一組電氣規(guī)格參數(shù)。可以看到輸入電壓范圍非常大，從10V到40V，其中10V的電壓在大電流以及天氣很冷的情況下使用，而在汽車的電池斷開時會出現(xiàn)40V的浪涌。15V輸出電壓是輸入電壓范圍的中間值，需要一個對輸入電壓降壓-升壓的拓?fù)?。輸出功率大約是26W,此功率在電源效率不太好時會引起散熱問題。以這些規(guī)格為實(shí)例，圖1是最后設(shè)計出的電源硬件原型，左邊是SEPIC，右邊是反激式拓?fù)洹煞N設(shè)計看上去很像，但是SEPIC的耦合電感要比反激式拓?fù)涞拇蟆Ｔ谳p負(fù)載條件下，SEPIC轉(zhuǎn)換器在連續(xù)電流模式(CCM功率因素校正控制器的應(yīng)用"target=_blank>CCM)下工作時需要較多的能量儲存，因而需要較大尺寸的磁性元件。圖2是兩種拓?fù)浜喕墓β兽D(zhuǎn)換級電氣原理圖。圖中反激式拓?fù)湟彩窃贑CM模式下工作。電源開關(guān)Q3接通，變壓器開始充電，Q3斷開，變壓器的次級電壓反轉(zhuǎn),電流通過D6到達(dá)輸出端。變壓器輸出等額的電量為輸出電容充電，并輸送至負(fù)載。通過控制占空比及進(jìn)入系統(tǒng)的能量增加可以實(shí)現(xiàn)對電源的調(diào)節(jié)。電源開關(guān)及二極管都是工作在非箝位感應(yīng)開關(guān)(UIS)模式，換句話說，施加在電源開關(guān)及二極管上的電壓在很大程度上由變壓器的漏感與雜散電容來控制。圖2：SEPIC左）及反激式拓?fù)洌ㄓ遥┑暮喕姎庠韴D。圖2中的SEPIC轉(zhuǎn)換器也是在連續(xù)電流模式（CCM）下工作。Q6接通后，C26的正極接地，此時變壓器T2的主次級線圈匝比相同，就會在C26的負(fù)極施加一個與變壓器輸入端相等的負(fù)電壓。也就是說電容上會有一個所示極性的輸入電壓，在這個電路中，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電能不斷儲存在初級電感中；電流流入次級電感及耦合電容（C26）,以均衡其電量。開關(guān)斷開，Q6上的電壓開始消失；一個來自初級線圈（通過C26）與次級線圈（通過D9）的電流形成了輸出電流。圖3：反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計圖。（點(diǎn)擊放大圖）此電路的優(yōu)點(diǎn)在于場效應(yīng)管（FET）電壓與二極管電壓都被電容器箝制住了，所以電路的瞬時擾動很小。不過耦合電容器C26上出現(xiàn)很大的紋波電流就像是SEPIC為此“付出的代價”。然而，此紋波電流在一定程度上會被C19的連續(xù)輸入電流所產(chǎn)生的紋波電流（比前者小很多）抵消。SEPIC拓?fù)潆娐返牧硪粋€優(yōu)點(diǎn)就是能從輸入端吸取電能并同時輸送到輸出端，很像一個自耦變壓器。因?yàn)楣β书_關(guān)不必處理全部功率傳輸，所以這種電路具有更高的效率。表2從理論分析及具體數(shù)字兩個方面比較了這兩種拓?fù)涞闹匾娐穮?shù)。此表假設(shè)電感紋波電流很?。ù箅姼校玫氖抢硐攵O管。同時假設(shè)反激式拓?fù)湔伎毡仁亲畲笾?0%。比較反激式拓?fù)涞妮斎腚娙菖cSEPIC的耦合電容時就會發(fā)現(xiàn)：兩種拓?fù)涞碾娙菁y波電流很相似。這兩個電容器應(yīng)該有相近的額定電壓，因?yàn)樗鼈兌际怯奢斎腚妷簛沓潆姷摹煞N拓?fù)涠加泻艽蟮慕涣骷y波電流，必須使用低等效串聯(lián)電阻(ESR)電容器。圖4：SEPIC轉(zhuǎn)換器設(shè)計圖。(點(diǎn)擊放大圖)以上面的設(shè)計為例，由于與反激式電源相比，SEPIC的占空比較大，二極管也需要較長的反偏時間，所以需要稍微大一點(diǎn)的輸入電容。表3也給出了兩種電源的FET電壓及二極管電壓最大值。反激式拓?fù)涞腇ET看上去有一個更低的“平頂(flat-top)”電壓。但是，它必須開關(guān)一個沒有被箝制的電感，這樣它的電壓最終會比SEPICFET的大得多。反激式拓?fù)涠O管的峰值反向電壓(PIV)以一個比SEPIC大的電壓值開始，而且還會有一個非箝位感應(yīng)開關(guān)毛刺，這使得二極管的峰值反向電壓很不理想。在本例中，電壓參數(shù)使得肖特基二極管在反激式拓?fù)渲胁荒苁褂?，而必須使用傳?dǎo)損耗更高且效率更低的超快二極管。反激式變壓器的漏感在電源開關(guān)以及輸出二極管上引起的電壓毛刺通常要求使用電壓鉗和/或者使用緩沖電路來限制該峰值電壓，這樣會進(jìn)一步降低效率。反激式拓?fù)涞腇ET均方根電流同樣要比SEPIC小，這會降低工作時反激式拓?fù)涞碾妼?dǎo)損耗。在元件方面，反激式拓?fù)潆娫次ㄒ坏膬?yōu)點(diǎn)就是磁性元件可以更小。電感的體積與所需儲備的能量L*I2相關(guān)，反激式拓?fù)潆娫吹拇鎯δ芰看蠹s是SEPIC的三分之一。高能量儲存需求是SEPIC采用尺寸大得多的電感的原因，如圖1所示。圖5：電源FET電壓波形圖(左邊是反激式電源，右邊遷EPIC)。圖3和圖4是圖1所示硬件原型演示電路的電氣原理圖。每個電路都只占據(jù)略大于3平方英寸的面積。SEPIC的電感高度是反激式電源中最高元件高度的兩倍。此電感本可以設(shè)計為平躺，這樣雖然可以降低高度，但也會增大印刷線路板(PWB)的面積。除了磁性元件以外，兩種電源都選用相似的功率級元件，但是選用了不同的控制器。反激式拓?fù)溥x用UCC2813,它能把占空比限制在最大值??50%,而SEPIC選用UCC3807,這種控制器允許占空比調(diào)整到超過50%。在本例中，SEPIC的占空比設(shè)為最大值??75%。反激式拓?fù)涫褂昧?個輸入電容器來應(yīng)對FET開關(guān)產(chǎn)生巨大脈沖電流的交流均方根值。通常情況下，高容量、低成本的鋁電解電容器要比陶瓷電容器的使用效果好，因?yàn)樘沾呻娙萜鞑荒芴峁┑洼斎朊}沖電壓所必需的電容值。而在SEPIC中只需要一個輸入電容器來處理三個電感電流的交流均方根值。這是一個相對比較低的均方根電流和電容，也是一個非常容易達(dá)到的指標(biāo)。SEPIC需要兩個耦合交流電容器,和反激式電源的輸入電容器有相同的電壓需求，但是可以在更高的占空比下工作。高占空比把其均方根電流降至反激式電源輸入電容均方根電流的三分之二。圖6：輸出二極管的波形20V/div),左邊是反激式電源，右邊是SEPIC。圖5是兩種電源的FET電壓的波形圖。該波形圖是在最大輸出負(fù)載與12V直流輸入的情況下測得的。反激式變壓器的漏感會產(chǎn)生一個電壓峰值,此峰值將一個20V的電壓附加在“平頂”電壓上。相比而言，SEPICFET的開關(guān)波形被箝制，表現(xiàn)出很小的過沖或波動。這種箝制作用使造成的開關(guān)損耗較小、輸出電壓噪聲以及其功率級電路可工作在比反激式拓?fù)涓叩念l率下。圖6是兩種電源的輸出二極管開關(guān)波形。同樣地，相對于SEPIC，反激式變壓器的漏感也產(chǎn)生一個很大的電壓毛刺。SEPIC只需要一個60V的肖特基二極管，而反激式電源為了能夠承受巨大的負(fù)極波動，需要一個200V的輸出二極管。反激式電源的超快二極管存在IV的正向壓降，而SEPIC的肖特基二極管只有0.5V的正向壓降，這使SEPIC可節(jié)約大量的電能。圖7是兩種電路在兩個不同的輸入電壓下測得的效率曲線。SEPIC的整體效率普遍要比反激式電路的效率要高出4%，能達(dá)到的最高效率為92.7%。兩個電路的元件功耗相近，只有輸出二極管及緩沖電路除外。非箝位感應(yīng)開關(guān)迫使電路必須使用更高電壓的二極管，結(jié)果損耗增大，而且需要使用緩沖電路。西為西為90%69*珈B7%沁0.00 D.35心刃DJi1.00 ■（藥1.SD1752BD□MpU&jT?tInrFhfaM乜旳 ■凱泗器f-%p洛屯w—叩洛鉀血圖7：不同輸入電壓的效率曲線圖。SEPIC能提供比反激式轉(zhuǎn)換器更高的效率。反激式轉(zhuǎn)換器相對來說更加簡單且已經(jīng)被人們所熟知，這是它的優(yōu)勢，SEPIC能提供更高的效率而且元件的承載能力也可以低一些。表3對這兩種方案進(jìn)行了比較。由于具有較低的FET及二極管電壓，SEPIC的效率更高。而反激式拓?fù)涞脑娣e更小，因?yàn)镾EPIC的磁性元件相對較大。兩種設(shè)計方法的元件數(shù)目相近，其中功率元件的數(shù)量相等，支持元件的數(shù)量相近。反激式拓?fù)涞囊粋€不足是需要使用緩沖電路。連續(xù)輸入電流不僅能降低SEPIC輸入電容的紋波電流額定值，而且可以提高系統(tǒng)的電磁抗干擾能力。如果在12V輸入端有其他負(fù)載，反激式拓?fù)涓赡軙谳斎攵水a(chǎn)生不連續(xù)的輸入電流以及不必要的紋波，這需要額外進(jìn)行濾波。此外還要考慮控制環(huán)路的特性。與反激式拓?fù)湎啾?，SEPIC控制環(huán)路特性的文獻(xiàn)描述較少，所以沒有得到普遍認(rèn)識。在CCM模式下工作及實(shí)施電流模式控制的SEPIC給控制系統(tǒng)提出了一些控制環(huán)路難題，包括補(bǔ)償一個恰當(dāng)?shù)挠野朊媪泓c(diǎn)(righthalf-plane參數(shù)規(guī)格輸入電壓10V-40V輸岀電壓15V輸出電流0.2A-1.75A動態(tài)調(diào)節(jié)+M%波紋1,5%效率最少85怖表1:典型汽車立體聲音響系統(tǒng)的一組電氣規(guī)格。zero）以及隨輸入電壓及輸出負(fù)載而大幅變化的閉環(huán)增益。這樣會導(dǎo)致較低的控制環(huán)路增益，從而降低負(fù)載瞬態(tài)性能。但是，如果處理得當(dāng)?shù)脑挘琒EPIC轉(zhuǎn)換器能提供一個卓越的高效解決方案。作者：JohnBettenRobertKollman德州儀器

連SS電流樓式丘淵蠶拓?fù)潆娢鬟B除電流擺式SEPIC拓?fù)涫﹤騢ip*q連續(xù)電流橈式反謝式瓶掙的fit重寰値連SESLnck：%Vigi%3.0SAD%%0.160甬輪入電容増方抿電濟(jì)^inputcap1ms-3.56A黑出電容均方槻電說^1［JuE_{3P_rms1 /D叫1-D1rdHi-o1,52A鋸合電窖均方抿電濟(jì)亠IiTD耦合電容焉電壓Wfflu劊irl復(fù)bP-￡FET呻值