设计指南#具有LFU的1kW、80+ 钛、GaN CCM 图腾柱无桥 PFC 和半桥 LLC 参考设计

此参考设计是一种数字控制的紧凑型 1kW AC/DC 电源设计，适用于服务器电源单元 （PSU） 和电信整流器应用。这种高效的设计支持两个主要功率级，包括前端连续导通模式 （CCM） 图腾柱无桥功率因数校正 （PFC） 级。PFC 级采用 LMG341x GaN FET，带有集成驱动器，可在较宽的负载范围内提供更高的效率，并满足 80 plus 钛的要求。此参考设计还支持LMG3422 GaN FET 半桥电感器-电感器电容器 （LLC） 隔离式直流/直流级，可在 1kW 时实现 +12V 直流输出。两个控制卡使用 C2000™ Piccolo™ 微控制器来控制两个功率级。

*附件：设计指南 — TIDA-010062.pdf

特征

• 80 plus 钛金效率，η=>95% 在 20%-100% 负载下
• 基于 CCM GaN 的图腾柱无桥 PFC 级，峰值效率为 >98.8%，由具有集成驱动器的 LMG341x GaN FET 实现
• 半桥 LMG342x GaN FET LLC 级，峰值效率>98.3%
• 快速负载瞬态，在 2.5A/μs 转换速率下，Vo 变化在 300mV 以内
• 低 iTHD，10% 负载时为 <10%，20% 负载时为 <5%，>50% 负载时为 <2%
• 功率密度 41 W/in3,38 mm x 66 mm x 160 mm
• 基于快速串行接口 （FSI） 的 PFC 或 DC/DC 通信

设计参数

1. 概述

• ‌设计名称‌：1-kW, 80+ Titanium, GaN CCM Totem Pole Bridgeless PFC and Half-Bridge LLC With LFU Reference Design
• ‌应用领域‌：服务器电源供应单元（PSU）和电信整流器
• ‌主要特点‌：高效率（>95%）、高功率密度（41 W/in³）、快速负载瞬态响应、低输入总谐波失真（iTHD）

2. 系统描述

• ‌功率级‌：
  • 前端：连续导电模式（CCM）图腾柱无桥功率因数校正（PFC）
  • 后端：半桥LLC隔离DC/DC级
• ‌控制‌：两个C2000™ Piccolo™微控制器分别控制PFC级和LLC级
• ‌效率标准‌：满足80 Plus Titanium要求

3. 关键系统规格

• ‌输入电压‌：100-V至265-V AC RMS
• ‌输出电压‌：+12 V DC
• ‌输出功率‌：1 kW
• ‌峰值效率‌：
  • PFC级：>98.8%
  • LLC级：>98.3%
• ‌功率密度‌：41 W/in³
• ‌动态响应‌：负载瞬态变化时，输出电压变化在300 mV以内（2.5-A/µs斜率）

4. 硬件设计

• ‌PFC级‌：
  • 使用TI的LMG341x GaN FET与集成驱动器
    -图腾柱无桥结构，减少反向恢复损耗
• ‌LLC级‌：
  • 使用LMG3422 GaN FET同步整流器
  • 交错结构变压器，减少邻近效应
  • PCB绕组减少次级侧绕组损耗
• ‌控制卡‌：
  • TMS320F280049, TMS320F280025或TMS320F280039 C2000™ Piccolo™微控制器
• ‌隔离与通信‌：
  • 使用ISO7721和ISO7742数字隔离器
  • FSI（快速串行接口）实现初级侧与次级侧之间的通信

5. 软件设计

• ‌PFC级控制‌：
  • 使用C2000Ware Digital Power SDK
  • 支持powerSUITE框架，提供图形化界面进行参数配置
  • 包括开环、闭环电流控制和电压闭环控制等实验室
• ‌LLC级控制‌：
  • 同样基于C2000Ware Digital Power SDK
  • 实现开环和闭环电压控制，支持SFRA（系统频率响应分析）
• ‌实时仿真与调试‌：
  • 使用Code Composer Studio (CCS)进行软件开发和调试
  • 支持实时仿真，允许在MCU运行时更新调试窗口

6. 测试与验证

• ‌测试条件‌：
  • 输入电压范围：100-V至265-V AC
  • 输出负载：电子可变负载或可变电阻负载，额定值≥15 V，电流变化范围0 A至90 A
• ‌测试设备‌：
  • 隔离AC源、单相功率分析仪、数字示波器、高压探头、电流探头、万用表、电子或电阻负载、冷却风扇
• ‌测试结果‌：
  • 验证了系统的稳态性能和瞬态响应
  • 提供了效率、iTHD、功率因数等关键指标的数据