【導讀】電源適配器的發展趨勢是高頻高密度及小型化,為了滿足散熱的要求,高效率是最重要的指標之一,所以對于數百瓦的電源方案,圖騰柱PFC及LLC架構是目前最好的選擇。安森美(onsemi)最新推出的240 W圖騰柱PFC配合最新的電流模式LLC控制器所做的48V5A參考設計(圖1),在230Vac和48V輸出條件下,四點平均能效達到94.76%,在230Vac和48V5A時,效率高達96.5%, 待機功耗在300mW以下,且PCBA尺寸僅89mm x 53mm x 21 mm,功率密度為39.7W/立方英寸,并且采用低成本的雙層PCB設計,是下一代PD3.1 EPR多口快充、工業通信電源、電動工具快充等的理想選擇方案。
圖1:240W圖騰柱PFC配合高頻LLC控制器的超高密度電源適配器參考設計方案
該方案的PFC使用NCP1680 CRM模式,具有谷底同步頻率反走的圖騰柱PFC控制器,配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的drive GaN,組成高效的PFC電路(圖2),在90Vac和滿載情況下PFC的效率高達97%, 在后級輕載模式下PFC自動進入間歇工作模式以降低開關損耗。
圖2:240W圖騰柱PFC電路原理圖
PWM部分使用安森美的NCP13994高頻電流模式LLC 控制器及2只75mohm的drive GaN組成。同步整流控制器使用兩只NCP4306獨立控制每一路輸出,使得layout非常簡單合理,輸出整流采用120V,4mohm的SJ FET FDMS4D0N12C(圖3)。
提高工作頻率可縮小電源尺寸,該LLC設計的諧振頻率在200KHz左右,在PFC輸出為390V、輸出滿載的情況下,LLC實際工作頻率達~175 KHz。為了提高LLC輕載的效率,LLC被設計在標準skip模式下工作,并且skip in和skip out的負載點可以通過兩個外部電阻任意設定。LLC的brown out功能是通過PFC OK端子產生的對應于PFC輸出的電流源產生的電壓,再通過VBULK腳的外部分壓電阻來任意設定,由于PFCOK的最高輸出電壓只有5V,所以這個外部的分壓電阻產生的損耗可以或略不計。
PFC和LLC的啟動電壓都是通過LLC的高壓恒流源來提供,由于PFC的啟動電壓低(10V左右),所以當LLC的高壓恒流源給VCC電容充電到PFC的Vcc_on電壓后PFC開始工作,PFC的輸出電壓開始上升,同時LLC的高壓恒流源繼續給Vcc電容充電, 在到達LLC的Vcc_on電壓以前PFC的輸出電壓達到正常值,PFCOK信號正常,VBULK電壓達到1V門限電壓以上,這時VCC電壓升到Vcc_on的開啟電壓后LLC開始工作, 整個啟動工作完成進入正常操作狀態。
變壓器初次級各有一個獨立的繞組經全波整流后給初級及次級供電。由于次級同步整流IC的VCC電壓及參考基準NCP431的電壓限制,為了降低不必要的損耗加上了次級的輔助供電繞組。
圖3:LLC部分DC-DC原理圖
能效測試
該方案在全電壓范圍段的輸入功率小于300mW, 待機功耗,48V下PF曲線及滿載能效曲線如下圖4。PFC的輸入電壓電流波形及LLC的輕載SKIP波形如圖5和圖6。
圖4:待機功耗和能效曲線
圖5:TPPFC的操作波形
圖6:LLC的SKIP波形
安全保護功能
該高頻高密度電源方案集成豐富的安全和保護功能,包括:過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、短路保護(SCP)、過溫保護、開環保護、X2電容放電等。OVP和OTP保護可以通過LLC fault腳外部的穩壓管及NTC來設定。OCP及SCP可以通過LLC的CS腳的電流取樣電路來設定,開環保護通過FB的最大電壓檢測來實現。
熱性能測試
由于非常高的效率,該方案在沒有加任何導熱材料及主動散熱的情況下,靠自然散熱得到下列的熱成像圖(圖7),該熱成像圖是在滿載工作30分鐘后測得。
圖7:240W超高密度電源適配器參考設計熱成像
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