現代の効率性はデジタルの柔軟性で実現
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2020年2月 - 電源の効率要件はここ数十年で急速に進化しており、現在では教科書で従来教えられていたものとは大きく異なってきました。特定の定格条件での高効率は、最初のステップにすぎません。競争力のある適格な電源設計は、動作範囲全体にわたって高効率を達成する必要があります。
最も人気のある効率関連の規制および機関 - エネルギースター、80 PLUS、米国エネルギー省のEISA、および欧州委員会のErPそしてCoCはすべて、負荷がない状態だけでなく、通常10%から100%の負荷まで、広い動作範囲にわたって明確かつ異なる要件を提示しています。
同時に、さまざまなアプリケーションは、実際の用途の需要に応じて、特定の動作条件での多様な仕様となっています。たとえば、PC電源は、各ブランドおよび各モデルのスリープモードの消費電力に応じて、定格電力の10%未満の特定の負荷条件で特定の効率仕様となる場合があります。テレビの電源は、スタンバイモードでの効率を最も重視します。通常、入力電力は300mWです。これは、テレビの電源をリモコンでオフにしたときの消費電力の上限です。ほとんどの場合アダプタは負荷を接続しなくても動作するため、アダプタには通常、無負荷電力に関する最も厳しい要請があり、10mW未満の場合もあります。非常に多くの異なる仕様があるため、同じ定格電力であっても、それらすべてを統一された設計でカバーする方法はありません。
さらに効率の最適化を試みると必然的に、リップル、過渡応答、および可聴ノイズが体系的に関係してきます。これらも非常に重要な特性です。その結果、今日の十分に要件を満たし競争力のある電源製品は、設計の調整、パラメータの微調整、そしてトレードオフなどに、膨大な作業を必要とします。
電源設計で最も一般的なトポロジーの組み合わせとして、PFCとLLCは、従来のアナログ制御方式では、数十年にわたって一般的に使用されてきました。しかし、新しいトレンドと増大する効率要件により、今日の設計ソリューションは、あらゆる種類のシステムニーズを効果的にサポートするためにはるかに柔軟でなければなりません。
図1: さまざまな条件に対するPFC制御モードのオプション
PFC段は、単純な臨界通電モード (CrM) または連続導通モード (CCM) といった従来のオプション以外のマルチモード制御方式から大きな利益を受けることができます。
高負荷条件でのCCM動作は、ピーク電流を最小限に抑えて、インダクタとEMIフィルタのサイズを縮小することができます (図1を参照)。中負荷条件下では、CCMと不連続導通モード (DCM) またはCrMのハイブリッドにより、ピーク電流振幅とスイッチング損失のバランスをとることができます。軽負荷状態での完全なDCMまたは昇圧動作は、スイッチング損失を最小限に抑えることにより、最高の軽負荷効率をもたらします。したがって、プログラム可能なスイッチング周波数と各動作モードの遷移点を備えたマルチモード制御方式は、効率性能曲線を微調整するのに役立ちます。
LLCの段階では、市場は従来の電圧制御モードから電流制御モードに移行しており、安定性と過渡応答が向上しています。言い換えると、電流制御モードに基づく新しい設計により、さまざまなアプリケーションの要求の中でループ調整の余地が大幅に広がります。
図2: さまざまな条件のLLC制御モードオプション
同様に、LLC制御スキームもマルチモードアプローチを開発しています。たとえば、図2は、3つの異なる動作モードを示しており、さまざまな負荷条件に対する効率とその他の特性の最適化を図っています。高負荷条件下では、共振モードは、保証されたゼロ電圧スイッチングと最小のRMS電流で最適な効率を実現します。
スキップモードでは、スイッチアイドル期間は数回のスイッチングサイクルごとに実装されます。これにより、包絡線周波数を可聴ノイズ範囲より上に保ちながら、スイッチング損失と磁気損失を低減します。負荷がさらに減少すると、バーストモード動作に移行してスイッチング損失を最小限に抑えることができます。
包絡線周波数制限やソフトオン / オフなど、昇圧操作で調整できる設定もいくつかあります。これらの手法はすべて、ソリューションが効率、リップル、および可聴ノイズのすべての要件を満たすのに役立つように採用できます。プログラム可能な動作点と入口 / 出口しきい値を備えたこれらの機能を提供するソリューションは、最新の電源設計にとって理想的な選択肢です。
図3: HR121xの代表的なアプリケーション回路
MPSの第2世代のデジタルPFCおよびLLCコンボコントローラとして、HR121x製品ファミリは、最新の電源設計に必要なすべての機能と柔軟性を備えています。HR121x製品ファミリを使用して電源を設計することにより、ユーザーはあらゆる種類の効率要件を満たすことができ、研究開発作業の効率を大幅に向上させることができます。HR121x製品ファミリは、アナログICとデジタルICの両方のメリットを兼ね備えており、PFCおよびLLCアプリケーション向けに包括的に最適化されています。
高電圧電流源、安全認証付きのXコンデンサ放電、PFC用のローサイドドライバとLLC用のハーフブリッジドライバを統合することにより、外部回路はシンプルでクリーンになります (図3を参照)。 遅延に敏感なすべての機能ブロックは、チップ上のアナログおよびミックスドシグナル設計によって実装されているため、アナログ回路の高速応答特性も十分に保持されています。その結果、HR121xは、サイクルごとの電流制限、容量性モード保護、およびデッドタイム適応調整を、他のどのアナログコントローラとも同じくらい効果的に実現できます。
図4: HR121xのグラフィックユーザーインタフェース
一方、チップに実装されたデジタルコアとマルチタイムプログラマブル (MTP) メモリは、ソリューションに大きな柔軟性をもたらします。主要なパラメータ、重要なポイントでのスイッチング特性、およびさまざまな動作モード間の遷移しきい値は、UARTベースのドングルとユーザーフレンドリーなGUIを介してプログラムできます (図4を参照)。このようにして、さまざまなアプリケーション、電力定格、およびパフォーマンス要件からのさまざまな効率要件を満たす柔軟性を提供します。
HR121xのプログラム可能性は、次のレベルの使用法にも活用でき、最適化されたデジタルコードを自動的に検索することで、研究開発の進捗全体を加速します。UART通信を介して、HR121xを自動試験装置システムに接続することができます。
定義された範囲とステップでターゲットレジスタをスイープすることにより、効率、リップル、力率などのすべてのテスト結果を導き出すことができます。次に、テストデータ全体をスクリーニングすることにより、最適化されたコードの組み合わせを決定できます。この作業は、ごくわずかな作業で自動的に行うことができます。さらに、判断は実際にテストされたデータによって行われます。これは、最適なコード設計を決定するための最も客観的な方法です。
図5: HR121xに基づく自動効率最適化
図5は、HR121xを備えたLabVIEWベースの自動テストシステムを示しています。デモンストレーションでは、PFCおよびLLC制御モード関連のレジスタがスイープされ、すべてのテスト結果が総合データベースとして収集されます。次に、最高の平均効率を得るために最適化されたデジタルコードの推奨に基づいて、上位5つが抽出されます。同様に、同じデータベースを使って、特定の負荷条件での最高効率、特定の仕様上での力率、および特定の仕様上での出力リップル、またはこれらのパラメータの組み合わせのために最も最適化されたデジタルコードを導き出すことができます。
電源の設計では常に高効率が問われ、あらゆる面で高効率を実現することがこれまで以上に重要になっています。このため、最先端の制御スキームを提供するだけでなく、数多くのアプリケーションや動作条件の対象に適合可能なデジタルフレキシビリティを提供し、同時にR&D作業に高い効率をもたらすHR121x製品ファミリのようなソリューションにシフトするときが来たのです。
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