基于成本和效率考虑的PFC设计(四)—如何设设计一个有效的PFC

那么说到这里呢

我们就开始简单的介绍一下我们怎么设计一个 PFC

因为我们刚才也看到在 PFC 里面

其实主要的元件就这么几个

第一这个开关管，第二的话就是一个电感

我觉得电感的设计我们有一个 PFC Choke

这个的设计我觉得应该是非常关键的

那么我们其实要设计，这个其实大家都都知道嘛

就做电源其实来说要做一个能工作的电源很简单

要做一个优化的电源很难

那么作为一个资深的 PFC 工程师

它的主要的价值可能在于

怎么把一个系统优化到最理想的状态

那么对于 PFC 的拓扑来设计的话

你可以看到我们基本上会分这么几步

第一步呢我们会去算一下整个系统的一个最大占空比

这个占空比的计算，其实就是

根据我们的 boost 拓扑的那个传递函数推导过来

具体的推导我们可以在现场再讨论

然后介绍完这个，因为我们也知道

我们设计一般对最恶劣的情况进行设计

对电感来说最恶劣的情况是什么

就是我们的最大电流

对我们的现在非常常用的像格力的这种空调里面

你们 PFC 最大的电流会出现什么状况

那肯定就是出现在最低输入电压的时候

因为我们知道功率等于电压乘电流

电压低，那么电流就会大

所以我们就会用最低的输入电压

计算出我们最大需要达到的一个峰值电流

也就是我们刚才说的那个包络

然后有了这个值以后，我们就可以根据

我们会需要自己定义一个我们希望得到的纹波电流的系数

那么纹波电流系数的话

我们通常综合效率和成本各方面因素

包括企业战略的一个考虑

我们一般会把它定一下 0.4

0.4 的话就是纹波电流比

所谓的纹波电流比就是

我们的纹波的它的峰值的大小和我们的平均值电流的比例

举个例子，就是假设我的峰值电流最大大概在十安培

那么 0.4 的话就是说

允许在我最大的纹波最大的脉动的地方就是 4A 脉动

这就是我们纹波电流的这个概念

那么根据这个纹波电流的概念

我们就可以算出我们的这个平均电流

这是一个平均电流的公式

然后根据你这个纹波电流希望得到的纹波电流

和我们刚才说的那个峰值电流的包络

我们其实这是在里面做了一个模型

就是简单的，因为写的有点复杂

但是基本的概念就是说

我在这些点里面就满足我们刚才的主要概念

第一我的峰值电流是多少

这是第一个这个规则

第二在所有的每一个点

我都可以计算出我的纹波电流的大小是多少

那么我要满足我这个纹波电流大小的情况下

我需要的最小的电感量

我是可以找出来

那么通过这样找的话

我们可以看到就是说大概是在 190 个微亨

我们刚才说的 175 的一个事情

我会找到这个需要的最小的电感量

那换句话说，只要我的电感取到 190 个微分

我在整个范围里面我都能实现

我的纹波电流是小于等于 0.4

这就是我们的这个主要的设计概念

然后根据我们电感量确定以后，我们就可以知道

因为我们的能量就是 1/2LI^2

我们刚才已经算过了，电感也求出来了

其实我们的电感的储能的大小

就是能量的大小就可以算出来

算出来以后就是我们最常用的 AP 法

不管在我们的辅助电源里面还是开关电源的设计

最常用的就是 AP 法

所以我们所谓的窗口就 A 乘以 W 啊

就可以去选定我们的磁芯、骨架、磁环啊

这个一步一步往下走

其实走到这一步的话

基本上我后面就没有再罗列下去

基本上我后面就没有再罗列下去

就是我刚才说的选定磁芯以后

然后就会去计算我需要绕多少条

那么根据不同的材料会决定

我的直流偏置是多少，对于我的饱和电流是多少

这个就是后面的一些数据

主要的可能考虑进来看

然后我们需要设计的就是一个输出电容

因为我们知道在 PFC 的输出电容

因为我们在空调里面用的话

就是第一级 PFC 的话

后面会接一个电机的部分的控制

电机部分的控制

它对我们前一级的纹波电压或者纹波电流的大小是有要求的

另外就是我们这个母线上的这些储能电容

电容还是最大的功能就是储能

让我们的这个跌落到多少的时候

我们这个系统还维持工作多少时间

都是取决于这个电容

所以当我们通过这样一个公式来进行计算

这个概念其实在我们的

也是我觉得应该是有兴趣出来，我觉得还挺有用的

就是我们叫 Boost Follower

就是叫所谓的输出电压跟踪

让我们的输出电压能跟随我们的输入电压进行变化

那么这样的好处呢

就是可以进一步的使我们损耗降低，从而提高我们的效率

当然在对一个系统的设计来说

我们非常关注的除了刚才的一些性能指标以外

还就是我们整个系统的稳定性

我们系统的稳定性的话

我们现在其实有一个软件是可以进行设计的

你可以看到这里面的图形里面可以看到蓝色

这就是我们最终经过补偿之后的

一个系统的闭环的波特图

那么我们系统要达到稳定的一个条件

一般来说两个

第一个就是让我们闭环的这个传递函数的

这个相位裕度能够大于 45 度

还有一个就是幅值裕度能大于 6 dB

那么理论上是幅值裕度越大，那我们系统越越稳定

相位裕度越大，系统越稳定

但是呢相位裕度越大

同时带来的问题就是系统的反应会变慢

那么我们不可能说完全追求了稳定

让我们响应变慢

这也是也是不合理的

所以我们整个的设计过程中其实还是一个相互妥协的一个过程

讲完那些器件选择的话

我们可能就会有一些关于 PCB Layout 一些建议

那么我们也知道，因为我们在空调里面的功率

还是比较大的，一般好几千瓦

那么我们这个主功率也是大电流流过回路的话

我们希望它的面积尽可能越小

因为我们这个当电流流过一个回路的时候

我们就是相当于看成一个电线

电线的话就会发出非常大的一种电子干扰

那么我们除了要满足这个 PFC 的这些功能的要求以外

同样肯定要在满足 EMI 的一些测试

就是我们的设计过程中也要开始考虑这些 EMI 的问题

第二个的话，就是我们说大电流的走线尽可能的短

以免我们这个走线的

因为线一长，你就可以把它看成一个电感

那电感的话就会和你系统中的一些寄生电容产生震荡

从而带来一些不可控的因素

然后我觉得还有一个比较重要的点的话

可能就是我们的功率地和我们的控制地

尽量选择在我们的大电容附近进行单点连接

我觉得这点是非常重要的

其实对我个人的经验来说，我遇到过很多这样的问题

很多客户一看唉我的原理图跟你一模一样

为什么我画的板子和你给我们测的板子差别这么大

其实有时候你发现把这个地的连接点改一点

很多的性能会变化非常大

我们讲过的那个功率部分的这些个控制的话

我们可能再看一下它的控制部分因为控制部分一般有的现在

我们可能再看一下它的控制部分因为控制部分一般有的现在

在格力我们应用上面

他们可能之前主要比较主流的还是像 MCU 都控制

那么对我们模拟芯片来说再强也会有这么一个控制部分

你可以看到，那么我们一般都会希望这个退耦电容尽可能的靠近

靠近这个芯片越近，那么它的效果就越好

然后的话其它的话就是关于驱动的一部分

驱动的话，其实我觉得在整个设计中首先是非常重要

第一呢我们必须要从它们中间

然后尽可能短的从我们的驱动芯片连接到我们的开关管上

然后另外一点的话就是我们所有的电压或者电流的采样

一定要走差分的走线模式

因为这样子可以有效的避免我们的共模干扰

那么说到这里呢

我们就开始简单的介绍一下我们怎么设计一个 PFC

因为我们刚才也看到在 PFC 里面

其实主要的元件就这么几个

第一这个开关管，第二的话就是一个电感

我觉得电感的设计我们有一个 PFC Choke

这个的设计我觉得应该是非常关键的

那么我们其实要设计，这个其实大家都都知道嘛

就做电源其实来说要做一个能工作的电源很简单

要做一个优化的电源很难

那么作为一个资深的 PFC 工程师

它的主要的价值可能在于

怎么把一个系统优化到最理想的状态

那么对于 PFC 的拓扑来设计的话

你可以看到我们基本上会分这么几步

第一步呢我们会去算一下整个系统的一个最大占空比

这个占空比的计算，其实就是

根据我们的 boost 拓扑的那个传递函数推导过来

具体的推导我们可以在现场再讨论

然后介绍完这个，因为我们也知道

我们设计一般对最恶劣的情况进行设计

对电感来说最恶劣的情况是什么

就是我们的最大电流

对我们的现在非常常用的像格力的这种空调里面

你们 PFC 最大的电流会出现什么状况

那肯定就是出现在最低输入电压的时候

因为我们知道功率等于电压乘电流

电压低，那么电流就会大

所以我们就会用最低的输入电压

计算出我们最大需要达到的一个峰值电流

也就是我们刚才说的那个包络

然后有了这个值以后，我们就可以根据

我们会需要自己定义一个我们希望得到的纹波电流的系数

那么纹波电流系数的话

我们通常综合效率和成本各方面因素

包括企业战略的一个考虑

我们一般会把它定一下 0.4

0.4 的话就是纹波电流比

所谓的纹波电流比就是

我们的纹波的它的峰值的大小和我们的平均值电流的比例

举个例子，就是假设我的峰值电流最大大概在十安培

那么 0.4 的话就是说

允许在我最大的纹波最大的脉动的地方就是 4A 脉动

这就是我们纹波电流的这个概念

那么根据这个纹波电流的概念

我们就可以算出我们的这个平均电流

这是一个平均电流的公式

然后根据你这个纹波电流希望得到的纹波电流

和我们刚才说的那个峰值电流的包络

我们其实这是在里面做了一个模型

就是简单的，因为写的有点复杂

但是基本的概念就是说

我在这些点里面就满足我们刚才的主要概念

第一我的峰值电流是多少

这是第一个这个规则

第二在所有的每一个点

我都可以计算出我的纹波电流的大小是多少

那么我要满足我这个纹波电流大小的情况下

我需要的最小的电感量

我是可以找出来

那么通过这样找的话

我们可以看到就是说大概是在 190 个微亨

我们刚才说的 175 的一个事情

我会找到这个需要的最小的电感量

那换句话说，只要我的电感取到 190 个微分

我在整个范围里面我都能实现

我的纹波电流是小于等于 0.4

这就是我们的这个主要的设计概念

然后根据我们电感量确定以后，我们就可以知道

因为我们的能量就是 1/2LI^2

我们刚才已经算过了，电感也求出来了

其实我们的电感的储能的大小

就是能量的大小就可以算出来

算出来以后就是我们最常用的 AP 法

不管在我们的辅助电源里面还是开关电源的设计

最常用的就是 AP 法

所以我们所谓的窗口就 A 乘以 W 啊

就可以去选定我们的磁芯、骨架、磁环啊

这个一步一步往下走

其实走到这一步的话

基本上我后面就没有再罗列下去

基本上我后面就没有再罗列下去

就是我刚才说的选定磁芯以后

然后就会去计算我需要绕多少条

那么根据不同的材料会决定

我的直流偏置是多少，对于我的饱和电流是多少

这个就是后面的一些数据

主要的可能考虑进来看

然后我们需要设计的就是一个输出电容

因为我们知道在 PFC 的输出电容

因为我们在空调里面用的话

就是第一级 PFC 的话

后面会接一个电机的部分的控制

电机部分的控制

它对我们前一级的纹波电压或者纹波电流的大小是有要求的

另外就是我们这个母线上的这些储能电容

电容还是最大的功能就是储能

让我们的这个跌落到多少的时候

我们这个系统还维持工作多少时间

都是取决于这个电容

所以当我们通过这样一个公式来进行计算

这个概念其实在我们的

也是我觉得应该是有兴趣出来，我觉得还挺有用的

就是我们叫 Boost Follower

就是叫所谓的输出电压跟踪

让我们的输出电压能跟随我们的输入电压进行变化

那么这样的好处呢

就是可以进一步的使我们损耗降低，从而提高我们的效率

当然在对一个系统的设计来说

我们非常关注的除了刚才的一些性能指标以外

还就是我们整个系统的稳定性

我们系统的稳定性的话

我们现在其实有一个软件是可以进行设计的

你可以看到这里面的图形里面可以看到蓝色

这就是我们最终经过补偿之后的

一个系统的闭环的波特图

那么我们系统要达到稳定的一个条件

一般来说两个

第一个就是让我们闭环的这个传递函数的

这个相位裕度能够大于 45 度

还有一个就是幅值裕度能大于 6 dB

那么理论上是幅值裕度越大，那我们系统越越稳定

相位裕度越大，系统越稳定

但是呢相位裕度越大

同时带来的问题就是系统的反应会变慢

那么我们不可能说完全追求了稳定

让我们响应变慢

这也是也是不合理的

所以我们整个的设计过程中其实还是一个相互妥协的一个过程

讲完那些器件选择的话

我们可能就会有一些关于 PCB Layout 一些建议

那么我们也知道，因为我们在空调里面的功率

还是比较大的，一般好几千瓦

那么我们这个主功率也是大电流流过回路的话

我们希望它的面积尽可能越小

因为我们这个当电流流过一个回路的时候

我们就是相当于看成一个电线

电线的话就会发出非常大的一种电子干扰

那么我们除了要满足这个 PFC 的这些功能的要求以外

同样肯定要在满足 EMI 的一些测试

就是我们的设计过程中也要开始考虑这些 EMI 的问题

第二个的话，就是我们说大电流的走线尽可能的短

以免我们这个走线的

因为线一长，你就可以把它看成一个电感

那电感的话就会和你系统中的一些寄生电容产生震荡

从而带来一些不可控的因素

然后我觉得还有一个比较重要的点的话

可能就是我们的功率地和我们的控制地

尽量选择在我们的大电容附近进行单点连接

我觉得这点是非常重要的

其实对我个人的经验来说，我遇到过很多这样的问题

很多客户一看唉我的原理图跟你一模一样

为什么我画的板子和你给我们测的板子差别这么大

其实有时候你发现把这个地的连接点改一点

很多的性能会变化非常大

我们讲过的那个功率部分的这些个控制的话

我们可能再看一下它的控制部分因为控制部分一般有的现在

我们可能再看一下它的控制部分因为控制部分一般有的现在

在格力我们应用上面

他们可能之前主要比较主流的还是像 MCU 都控制

那么对我们模拟芯片来说再强也会有这么一个控制部分

你可以看到，那么我们一般都会希望这个退耦电容尽可能的靠近

靠近这个芯片越近，那么它的效果就越好

然后的话其它的话就是关于驱动的一部分

驱动的话，其实我觉得在整个设计中首先是非常重要

第一呢我们必须要从它们中间

然后尽可能短的从我们的驱动芯片连接到我们的开关管上

然后另外一点的话就是我们所有的电压或者电流的采样

一定要走差分的走线模式

因为这样子可以有效的避免我们的共模干扰