ALTIUM - Thiết kế và bố trí mạch PFC cho hệ thống điện.

Nguồn điện đầu vào PCB không phải lúc nào cũng là tín hiệu DC hoặc hình sin sạch. DC đến từ bộ chỉnh lưu sẽ có một số gợn sóng từ tụ điện đầu ra và tín hiệu AC có thể chứa nhiễu hoặc là sóng sin kém hoàn hảo. Có một số cách để khắc phục những sự cố này, bằng cách chọn đúng mạch lọc hoặc bằng cách định hình sóng đầu vào để tạo ra công suất đầu ra tối đa cho một tải trong hệ thống.

Nếu bạn đang làm việc với hệ thống nguồn AC, bạn có thể cần hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) để giảm dòng điện / công suất của bạn tại nguồn điện hoặc để tăng công suất khả dụng cho tải. Mặc dù các mạch PFC có sẵn dưới dạng IC, chúng không thể xử lý các yêu cầu của hệ thống điện áp cao hơn / dòng điện cao hơn. Bạn sẽ cần thiết kế và bố trí mạch PFC của riêng mình trên PCB để tăng hệ số công suất lên gần 1. Đây là cách bạn có thể thiết kế và mô phỏng mạch PFC của riêng mình và chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn một số mẹo bố trí cho mạch PFC của bạn.

Hiệu chỉnh hệ số công suất là gì?

Hệ số công suất của nguồn điện là tỷ số giữa công suất thực tiêu thụ với công suất biểu kiến ​​(tính bằng vôn và ampe RMS) và con số này nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Bộ điều chỉnh chuyển mạch điển hình trong mạch cung cấp điện được kết nối với nguồn xoay chiều với một bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện theo từng đợt nhỏ khi điện áp đầu vào gần đạt đến đỉnh của nó. Dòng điện từ đường vào càng lệch khỏi dạng sóng điện áp hình sin thì hệ số công suất càng nhỏ. Hệ số công suất về cơ bản là một thước đo khác cho hiệu suất sử dụng điện.

Ví dụ, giả sử một bộ điều chỉnh hiệu quả 96%; nếu bộ nguồn chung có hệ số công suất là 60% thì hiệu suất thực là 96% x 60% = 57,6%. Mục tiêu của việc sử dụng thiết kế mạch PFC là đưa hệ số công suất gần bằng 1 nhất có thể. Khi hệ số công suất gần bằng 1, công suất thực tiêu thụ sẽ trở nên gần với công suất biểu kiến ​​mà bạn sẽ tính toán bằng cách sử dụng điện áp và dòng điện đầu vào RMS lý tưởng.

Nếu dự định bán sản phẩm mới của mình ở Châu Âu, bạn cần đảm bảo áp dụng PFC trong nguồn điện của mình. Quy định quan trọng nhất là EN61000-3-2, áp dụng cho hệ thống điện có công suất đầu vào ít nhất 75 W và kéo lên đến 16 A ở lối vào dịch vụ. Quy định này cũng đặt ra các giới hạn về độ méo hài tổng (THD) lên đến sóng hài thứ 39 khi được đo ở đầu vào của bộ điều chỉnh. Điều này minh họa lợi ích khác của mạch PFC; nguồn điện có hệ số công suất lớn hơn sẽ có THD gần bằng không ở đầu vào bộ điều chỉnh DC.

Thiết kế mạch PFC và cấu trúc liên kết

Một bộ chuyển đổi PFC có thể được thực hiện với cấu trúc liên kết tăng cường hoặc buck . Ngoài ra còn có cấu trúc liên kết tăng cường buck, mặc dù điều này không phổ biến như điện áp đầu vào thường cần được tăng hoặc giảm và điều chỉnh ở mức không đổi. Hai phiên bản buck và boost được hiển thị bên dưới. Nếu các sơ đồ mạch này phù hợp với những gì bạn mong đợi từ một bộ chuyển đổi DC-DC tiêu chuẩn hoặc tăng cường, thì bạn đã chính xác! Các sơ đồ mạch tổng thể giống hệt nhau, nhưng việc lựa chọn linh kiện cho các mạch này ảnh hưởng đến việc tăng hệ số công suất do mạch cung cấp.

Vậy điều gì làm cho một mạch PFC khác với một bộ điều chỉnh chuyển mạch điển hình? Điểm quan trọng trong thiết kế mạch PFC là chọn chế độ chạy phù hợp, liên quan đến việc chọn cuộn cảm phù hợp trong mạch này. Cuộn cảm sẽ xác định dòng điện qua cuộn cảm tăng nhanh như thế nào khi điện áp đầu vào tăng trong khi MOSFET đang bật. Khi MOSFET được tắt, cuộn cảm cung cấp một EMF trở lại, sau đó hướng dòng điện nhiều hơn về phía tải.

Dạng sóng gợn của cuộn cảm được xác định bởi kích thước của cuộn cảm, giống như trường hợp của bộ điều chỉnh chuyển mạch điển hình. Sóng gợn sẽ lớn hơn khi cuộn cảm nhỏ hơn. Kiểm soát dạng sóng được duy trì bằng cách áp dụng xung PWM hoặc PFM cho MOSFET. Ba chế độ mạch PFC hiển thị bên dưới được xác định bởi kích thước cuộn cảm và kiểu điều chế được áp dụng cho MOSFET. Bảng dưới đây tóm tắt các đặc tính điều chế và dòng điện trong mỗi chế độ.

Để cung cấp PWM hoặc PFM đúng cách cho MOSFET chuyển mạch, bạn cần triển khai vòng phản hồi tới bộ điều khiển PWM / PFM. Có một số IC đặc biệt có thể được sử dụng cho mục đích này, ngay cả ở điện áp cao.

Bố cục PFC: Coi nó như một bộ điều chỉnh chuyển mạch công suất cao

Có lẽ điểm quan trọng nhất cần nhớ khi làm việc với bất kỳ bộ chuyển đổi chuyển mạch nào là xem xét cách ly khỏi nhiễu chuyển mạch. Bất kỳ tiếng ồn nào từ bộ điều chỉnh chuyển mạch ồn ào hoặc mạch PFC, đặc biệt là ở dòng điện cao, sẽ tạo ra từ trường mạnh có thể tạo ra tín hiệu nhiễu trong mạch hạ lưu. Lưu ý rằng cách ly điện hóa loại bỏ EMI dẫn điện, nhưng không phải EMI bức xạ, vì vậy bạn sẽ cần ngăn chặn bất kỳ tiếng ồn nào gây ra bằng cấu trúc cách ly cho các mạch mức thấp, chẳng hạn như hàng rào hoặc tấm chắn . Đây từ lâu đã là một vấn đề nổi tiếng trong thiết kế cung cấp điện, cho cả nguồn cấp điện áp cao và IC điều chỉnh trong các thiết bị điện tử công suất thấp.

Các điểm khác cần xem xét là thiết kế tín hiệu PWM hoặc tín hiệu PFM, thiết kế xếp chồng của bạn và các kỹ thuật khác để giảm EMI bức xạ. Khi bạn đang làm việc ở điện áp cao, bạn cũng cần đảm bảo rằng bạn đặt khoảng cách thích hợp giữa các phần tử dẫn điện trong bố cục PCB của mình để ngăn chặn ESD. Các khe hở này được xác định trong các tiêu chuẩn IPC-2221. 

Khi bạn đã sẵn sàng tạo thiết kế và bố trí mạch PFC của mình trên PCB, bạn có thể sử dụng các tính năng thiết kế sơ đồ và bố trí PCB trong Altium Designer® . Bạn sẽ có mọi thứ bạn cần để nhanh chóng bố trí mạch PFC và bộ điều chỉnh để sử dụng trong các thiết kế điện áp cao. Bạn cũng có thể truy cập công cụ PDN Analyzer , công cụ này cho phép bạn kiểm tra sự phân bố điện áp trong toàn bộ mạng cung cấp điện của mình.
Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch sản xuất, mô phỏng và bố cục tốt nhất trong ngành.

Hãy liên hệ với Hotline 024.6682,0511 email:software@jywsoft.com để biết thêm chi tiết về sản phẩm cũng như hỗ trợ kỹ thuật.