基于分流电阻的无桥图腾柱PFC电流感应方案

要长高

描述

  数据中心和服务器电源单元 (PSU) 设计中的两个首要考虑因素是功率密度和效率。满足最严格的效率标准 — 80 Plus Titanium — 现在是下一代数据中心和服务器 PSU 的最低要求。

  80 Plus Titanium 需要超过 96% 的端到端峰值效率,这意味着功率因数校正 (PFC) 级效率必须高于 98.6%。挑战在于传统的 PFC 拓扑由于桥式整流器功率损耗而无法满足这一效率要求。假设二极管压降为 1V ,交流输入为 230V,则 4kW 桥式 PFC 拓扑将在桥式整流器上产生 33W 的功率耗散以及随后 0.825% 的效率损失。因此,数据中心设计人员必须采用半无桥 PFC 或图腾柱 PFC 等拓扑,以实现 PFC 级的 》98.6% 效率目标。

  半无桥 PFC 功率级需要两个 PFC 电感,每个电感仅在半个 AC 周期内执行升压操作。无桥图腾柱 PFC 级仅需要一个 PFC 电感器,该电感器在整个交流周期内执行升压操作。半无桥 PFC 需要更大的占位面积,而无桥图腾柱 PFC 可实现高功率密度和高效率 PSU 设计。这就是无桥图腾柱 PFC 在符合 80 Plus Titanium 要求的电源中受欢迎的原因。

 

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  图 1顶部显示半无桥 PFC 拓扑,底部显示无桥图腾柱 PFC。资料来源:德州仪器

  无论拓扑如何,平均电流模式控制是连续导通模式 (CCM) PFC 最常用的控制方法。平均电流模式控制使用电感电流而不是瞬时电流(例如峰值电流)。在传统的桥式 PFC 中,PFC 控制器的基准使用地作为 MOSFET 的源极和输出大容量电容器的负端,在整流桥的阳极和地之间有一个电流感应电阻器,如图 2所示。控制器检测感应电阻上的电压;内部运算放大器将信号转换为正值,然后将转换后的信号发送到电流回路。

 

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  图 2这是在传统 PFC 电路中执行电流检测的方式。资料来源:德州仪器

  在传统 PFC 中实现平均电流模式控制很简单,因为电流在电流检测电阻器和 PFC 电感器上是单向的。但由于无桥图腾柱 PFC 中 PFC 电感器上的电流是双向的,因此您必须采用不同的电流检测方法来实现平均电流模式控制。本文将讨论平均电流模式控制无桥图腾柱 PFC 的三种电流检测方法,以及它们的权衡取舍。

  使用分流电阻器进行电流检测

  图 3是使用分流电阻器进行电流检测的简化示意图。在该电路中,运算放大器将分流电阻上的电压转换为信号,其峰峰值电压低于其偏置电源电压 (V CC )。添加一个二分之一 V CC的直流偏置使模数转换器 (ADC) 能够读取双向电流信号。控制电路的接地参考一般置于中性点。

 

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  图 3简化原理图显示了使用非隔离式分流电阻器方法的电流检测。资料来源:德州仪器

  电流感测通常是准确的,没有明显的传播延迟。您可以增加电流环路的带宽,使功率级能够快速响应过流故障。基于分流电阻器的电流检测方法可提供最高的检测精度,因此您可以将检测结果用于控制和保护,以及准确的输入功率监控。

  然而,基于分流电阻的无桥图腾柱 PFC 需要复杂的电路来检测输出电压,因为输出接地参考和控制器(图 3 中所示的 MCU)接地参考不在同一节点。基于分流电阻器的电流检测还需要来自辅助电源的更多隔离轨和更多隔离驱动器。

  启用电流感应并将其转换为控制电路的另一种方法是使用隔离放大器,如图 4所示。使用隔离放大器可使控制器的接地参考输出到接地,这将简化设计中的感应和驱动器电路。

 

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  图 4使用分流电阻器和隔离放大器执行电流检测。资料来源:德州仪器

  基于隔离放大器的电流检测的一些最重要的考虑因素包括:

  输入侧采样电路需要一个隔离的 V CC电源轨。需要窄输入电压范围以实现分流电阻器的低功耗。

  需要输出信号增益的低非线性度和随温度变化的低误差漂移,以实现传感精度。

  需要对输入信号瞬态做出快速响应。

  例如,AMC3302隔离放大器的输入电压范围为 ±50 mV,可以选择阻值较小的分流电阻,以帮助降低分流电阻的功耗并提高系统效率。AMC3302 放大器的 340 kHz 输出带宽确保对输入瞬态的快速响应,而隔离式 DC/DC 转换器的集成消除了对外部隔离式电源轨的需求。

  使用电流互感器进行电流检测

  电流互感器是一种铁氧体元件,需要在每个开关电路中进行磁复位。将其与主场效应晶体管 (FET) 串联可以对电流脉冲进行采样,如图 5所示。理论上,如果控制器采样点设置为导通时间 (Ton) 的二分之一,则采样值等于 PFC 扼流圈在一个开关周期内的平均电流。

 

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  图 5示意图显示了使用电流互感器执行的电流检测。资料来源:德州仪器

  在无桥图腾柱 PFC 中,在交流周期的正半部分,Q2 用作主 FET,Q1 是同步 FET。在交流周期的负半部分,Q1 用作主 FET,Q2 是同步 FET。因此,在一个完整的交流周期上检测 Ton 处的电流需要放置两个与 Q1 和 Q2 串联的电流互感器。控制器从输入电压的极性中选择一个 CT1 和 CT2 的采样值。

  电流互感器为控制电路提供隔离的电流信号。如果控制器接地参考位于输出大容量电容器的负端,则低频 FET(Q3 和 Q4)只需要一个非隔离驱动器,与基于分流电阻器的感应方法相比,简化了感应电路。不幸的是,铁氧体材料的非线性BH曲线和磁滞回线使样本值不准确。电流失真可能更严重,尤其是在轻负载或过零期间。除了感测精度问题外,将电流互感器与主 FET 串联会增加功率回路电感,从而增加开关事件期间的电压应力。您可能需要一个额外的缓冲器来钳位 FET 的电压应力。

  使用霍尔效应电流传感器进行电流检测

  图 6显示了一个使用霍尔效应电流传感器的简化电流检测电路。霍尔效应电流传感器输出与来自隔离电磁信号转换的输入电流成比例的霍尔电位。该电位的极性与电流方向相同,因此霍尔效应电流传感器适用于双向电流感应。

 

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  图 6示意图显示了使用霍尔效应电流传感器执行的电流检测。资料来源:德州仪器

  与隔离放大器方法相比,霍尔效应电流传感器通过芯片内部的磁场转换信号,从而消除了应用对隔离电源轨的需求。您可以将输入导体电阻设计为低于 1 mΩ 以实现大电流感应,从而实现更低的功率损耗。

  霍尔效应电流传感器的带宽在 10 kHz 至 1 MHz 范围内,因此对于具有平均电流控制的 PFC,选择带宽高于电流环路 10 倍的传感器就足够了。换言之,霍尔效应电流传感器需要超过 50 kHz 的带宽才能实现 2 至 5 kHz 的电流环路 PFC。

  霍尔效应电流传感器的优势使其成为无桥图腾柱 PFC 中电流检测的理想选择。当今常见霍尔效应电流传感器的一个显着特征是其灵敏电流范围与其 V CC电压电平有关。一个例子是TMCS1100A1霍尔效应电流传感器,它在 V CC = 5V 时允许 46 A 线性测量电流范围,而在 V CC = 3.3V时仅允许 29 A。因此,在将传感器输出信号发送到具有较低 V CC的控制器时,很难使用具有较高 V CC的霍尔效应电流传感器的完整感应范围。要理解这个技巧,让我们从霍尔效应电流传感器的基础知识开始。公式 1 表示霍尔效应电流传感器的输出:

  V o = S × I IN + V偏移 (1)

  其中 S 是霍尔效应电流传感器的灵敏度,单位为毫伏/安培,I IN是输入电流,V Offset是零电流输入时的偏移电压。

  在大多数双向传感器中,V Offset通常设置为 V CC的二分之一,因此输入电流的最大允许范围为 V CC /2×S。更高的 V CC将允许更宽的敏感电流范围。例如,具有 3.3 V V CC的霍尔效应电流传感器将允许 1.65-V/S 的显电流范围,而具有 5 V V CC的霍尔效应电流传感器将允许 2.5-V/S 的显电流范围。

 

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  图 7电路配置适应霍尔效应电流传感器和控制器之间的不同 V CC值。资料来源:德州仪器

  为了在输出到最大 3.3V 的 ADC 时具有更宽的灵敏电流范围,运算放大器可以设置感测电路的增益并调整 ADC 的最大输入电压。图 7显示了应用电路。首先,霍尔效应电流传感器感应到更宽的输入电流范围,5 V 的 V CC和 2.5 V 代表 0 A 的电流。公式 2 说明了如何根据 V CC电平(或电压参考电平)降低霍尔效应电流传感器的输出信号范围:

  1.65 V/2.5 V = R 3 /R 1 +R 3 (2)

  您可以使用公式 3 设置放大器增益,以使最大感测电流电平仍在控制器的允许输入电压范围内:

  I最大值= 1.65 V/S × R 1 /R 2 (3)

  只要您确定要检测的最大电流水平,您只需确定一个电阻值(例如 R1),即可使用公式 2 和 3 确定其余的电阻值(R2 和 R3)。

  优点和缺点

  表 1总结了每种电流检测方法的优缺点。每个系统的规格和要求将帮助您确定选择哪种传感方法。

 

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  表 1提供了不同电流检测方法的比较。资料来源:德州仪器

  作者:Sheng-Yang Yu 是德州仪器 (TI) 的应用程序经理。

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