【TI分享】基于UCC25600的48V/30A电源设计

前几年做过一款UCC25600通信电源模块DCDC的预研,在这里跟大家分享一下,因为时间比较长了,有些数据也没有来得及仔细整理,有不当的地方也请大家指正。

首先,简单介绍一下通信电源系统,一个完整的组合通信电源系统包括五个基本组成部分,分别是交流配电单元、整流部分、直流配电单元、蓄电池组、监控系统。

系统架构图如下图所示。

作为硬件开发人员,主要负责设计其中的整流模块,通信电源模块常用的硬件架构如下图所示

29 个回复

  • 这个整流模块,从头到尾做个,花多长时间?

  • 回复 HUALONG TANG:

    这个不太好说,与公司的人力、技术平台都有关系,如果完全从零开始,可能需要1年

  • 回复 nj_aaun:

    接下来主要说一下DCDC部分,近些年随着谐振控制的盛行,主流的大功率DCDC拓扑都会选用LLC,甚至小功率电路上应用也很多,有逐步取代有源钳位等趋势,优势不言而喻,高效,好的源效应、负载效应,EMC方面的出色表现等等。

    从控制策略来看,因为基于TI的C2000数字平台比较成熟,主要有两种,一种是原边电流控制策略,另外一种是副边电压控制策略。

    1.原边电流控制策略

    控制的原理可以参考上面的仿真图,严格来说,这种控制方式称为功率环控制较为合理,采样副边电压与基准电压比较后做为功率环基准,采样DC/DC原边电流后与PFC电压相乘,做为功率环反馈。

    优点:与PFC控制策略类似,电压外环,电流内环,外环实现输出电压调节,内环满足限功率和限流态性能,较适合于通信电源对于输出外特性的要求。

    缺点:控制策略复杂,负载动态极难处理,如果采用模拟控制,该方案不太可能实现,需要线性光耦隔离,成本高。

    2.副边电压控制策略

    电流环的输出可以改变电压环的基准,在恒压态,由于不触发限功率和限流态,所以电流环与电压环断开,DC/DC电路单环工作。当输出电流超过了给定值,触发了电流环动作,电流环的输出将动态调节电压环的基准,直到整个环路稳定,实现限流输出。

    优点:常态时,电压单环工作,环路控制策略简单,负载动态响应速度快,电路结构简单,直接采样输出电压和电流,不需要复杂的隔离传输电路,成本低,可靠性高。

    缺点:为了满足一些限流态的杂音指标,电流环的带宽会做的很低,导致电流环响应速度慢,在由恒压态至限流态的暂态过程中,电流应力大,通常需要增加额外的限流电路。

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    各大厂家都有比较成熟的LLC方案,当时做了一些简单对比(可能现在新推的芯片会有所改进)

    由于 FSFR2100 内部集成了 MOSFET,适合用于特定功率等级(<400W)的电路,难做功率拓展。ICE1HS01G 死区时间太大,影响效率,也不能通过死区时间做 PWM 控制。

    相对L6599 和NCP1396,UCC25600 只有 8个引脚,成本相对较低,外围电路简单,是首选。

  • 回复 nj_aaun:

    接下来说一下功率电路设计,经验上来说,功率电路采用对称半桥的结构谐振电容的应力会比采用单个电容要小,所以决定采用对称半桥

  • 回复 nj_aaun:

    设计规格

    输入:  Vin_min= 385V, Vin_max= 415V, Vin_nom= 400V

    输出:  Vo_min= 42V, Vo_max58V, Vo_nom= 53.5V, Io_max= 37A,  Po_nom= 1740W

    考虑传导测试150KHz的起始频率, 选择谐振频率  fr= 130KHz, 额定输入输出时,工作在谐振频率附近, 最高工作频率fmax= 340KHz,  死区时间 td= 200nS

    下面是变压器变比和谐振腔参数选择的一些计算草稿

  • 回复 nj_aaun:

    理论计算结果, Cr= 150nF, Lr= 10uH, Lm= 62uH, fr= 130KHz

    磁性元器件具体的计算这里就不多说了,简单提一点磁性元器件的损耗.

    首先计算均是在假设磁芯表面温度为100℃, 铁氧体磁芯损耗为

    因为该公式与温度相关 , 一般铁氧体厂家不给出该公式, 只给出磁芯单位损耗与频率和工作磁通密度的曲线, 所以需要先拟合x、y的值. 很简单, 在图上选取两个点, 比如频率为200kHz曲线A点Pcv=1000, 曲线B点为2000, 则据此可以计算出y值, 并可以以此为依据计算处A和B两点之间任一点的Pcv值.

    实际选用的磁芯为3C95 PQ35/35两对并联,谐振电感选用3C95 PQ26/25,因为当时只是评估芯片性能,手工绕了一个,并未做优化,所以就不给出磁性器件承认书了。

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    MOS的选择,计算很简单,电压、电流应力,注意降额

    由以上对比可知,STW26NM60N>SPW20N60C3>FCP20N60

    STW26NM60N在通态电阻、寄生电容、热阻等方面比其他均有明显优势,因为只是方案评估,没有去关注价格,但是STW26NM60N在价格差不多的情况下肯定作为首选,SPW20N60C3作为第二选择。实际优化定型需要根据效率对比。

  • 回复 nj_aaun:

     接下来说一下控制电路,UCC25600 经环路反馈控制流过RT脚的电流来调节频率,环路补偿这块就不多说了,因为没有做太多的验证,网上也有很多资料。这里主要说一下轻载的工作模式,其频率范围为50kHz~350kHz,大于350kHz则进入BURST MODE。由于实际设计时可能不会在全范围内仅依靠调频就能满足42V~58V的增益要求,空载或者轻载时需要用PWM方式调节或者进入BURST MODE。但进入BURST MODE的话,在空载时的杂音很难满足GR947ETS300-132的要求,也不利于电池的充放电。由器件资料可知,死区时间是由流过DT脚的电流控制的,所以尝试设计一个电路可以通过控制流过DT脚的电流来控制死区时间,从而达到轻载PWM目的。