効率的な電源設計のためのライブデジタルソリューション (パートI)


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さまざまな電子製品の継続的かつ急速な開発に伴い、高効率電源の設計要件は絶えず進化しています。教科書で定義されている高効率変換回路は、定格動作条件下で高効率を達成することが要件の1つにすぎないため、市場の実際のニーズを満たすことができなくなりました。真に競争力のある電源設計では、軽負荷およびスタンバイ動作を含む全負荷および動作電圧範囲にわたって高効率を維持する必要があります。

この点で、欧州委員会、ErP/EuP Ready、80 Plus、Energy Starなどの主流のエネルギー効率規制機関は、製品の電力消費と効率に関する基準を作成しました (図1を参照)

図1 : エネルギー効率規制機関

これらの規格のほとんどは、定格負荷電流の10%から100%におよぶ平均効率要件と、無負荷状態またはスタンバイ状態で許容される最大消費電力を与えています。実際、さまざまな市場セグメントには、多くの場合、最終用途に基づいて特定の要件があります。

いくつかの例は次のとおりです。

    • デスクトップコンピュータは通常、軽負荷で長時間動作するため、全負荷の10%未満の負荷条件に対して特定の効率要件があります。特定のブランドとモデルには、異なる要件があります。
    • TV電源の場合、最も重要な懸念事項はスタンバイモードでの効率です。いくつかの基本的なディスプレイおよびリモートコントロール機能を考慮すると、要件は通常300mW未満です。
    • 電源アダプタは負荷から完全に切り離すことができるため、無負荷損失を最小限に抑えることが最優先事項です。一部の携帯電話アダプタの無負荷損失は、10mW未満を達成することさえできます。

さらに、製品レベルの電源設計では、効率は、設計者が行わなければならない多くのパフォーマンスの考慮事項とトレードオフの1つにすぎません。効率を改善する試みは、リップル、過渡性能、ノイズ、EMIなどの他の性能考慮事項への影響も考慮に入れる必要があります。実際の製品設計プロセスでは、さまざまな市場のさまざまなプロジェクトの特定の要件を満たすために、多くの最適化が必要になる場合があります。

このような複雑で多様な要件に直面すると、一般に、電力ソリューションの設計は製品の世代ごとに難しくなります。多くの従来のアナログ電源ソリューションには、現在の基準を満たす柔軟性とプログラム可能性がありません。デジタルマルチモード ソリューションを最大限に活用することが、高効率の電源設計を実現するための鍵となっています。

MPSの第2世代デジタルPFC + LLC集積コントローラとして、HR121xファミリの製品は、さまざまな市場アプリケーションと電力レベルの効率とパフォーマンスのニーズを満たすのに十分な、さまざまな制御モードと優れた設計の柔軟性を提供します (図2を参照)

図2 : HR121xシリーズのHR1210の代表的なアプリケーション回路

HR121xシリーズ製品は、高電圧電流源、安全認定済みのXコンデンサ放電回路、および高電圧PFC + LLC駆動回路を集積しているため、競合ソリューションと比較して外付け部品が少ない非常にシンプルな回路です。

さらに、HR121xシリーズ製品は、対応する速度、リアルタイムのピーク電流保護、容量性保護、自動不感帯調整、およびデジタルアナログハイブリッドチップ設計によるスイッチングサイクル内の他の機能の点で、従来のアナログチップの利点も継承しています。

再編集可能なメモリと組み合わせたHR121xデジタル制御コアは、ソリューション全体に大きな柔軟性をもたらします。PFCとLLCの2段回路間の調整、異なる制御モード間の切り替え、主要な動作点の切り替え頻度、保護機能のしきい値時間と回復方法はすべて、UART通信ポート構成を介して簡単に制御できます。これにより、HR121xシリーズ製品に基づく電源設計は、あらゆる負荷条件でさまざまなアプリケーションのパフォーマンス要件に柔軟に適応できます (図3を参照)

図3 : HR121xシリーズ製品のPFC制御モード

HR121xシリーズ製品のPFC制御部分は、CCMとDCMの混合操作を可能にします。

      • HR121xシリーズ製品は、ピーク電流を最小限に抑えるために、高負荷条件下でCCMで完全に機能します。
      • 中負荷または高入力電圧では、CCMとDCMハイブリッドモードを同じ電源周波数サイクルで使用して、スイッチング損失とピーク電流の最適なバランスを見つけることができます。
      • 軽負荷状態では、HR121xシリーズ製品は低周波DCMまたはプログラム可能なバーストモードで動作して、スイッチング損失をさらに低減できます。 

HR121xシリーズ製品の内部デジタルレジスタを介してさまざまなモードのスイッチングポイントを調整することにより、効率曲線の各部分をさまざまな入力電圧と負荷条件に合わせて最適化できます。

HR121x製品ファミリのLLC制御の特徴は、従来の電圧モードよりも優れた安定性と応答速度を備えた高度な電流モードを採用しています。さらに、HR121x部品は、負荷条件に応じて3つの異なる動作モードに分けられます (図4を参照)

図4 : HR121xのLLC制御モード

      • 高負荷条件下では、連続共振モードを使用して、ゼロ電圧ターンオンと最小化されたRMS電流を保証します。
      • デバイスが比較的軽い負荷状態でスキップモードに入ると、デッドタイムを挿入することで等価スイッチング周波数が低下し、可聴周波数範囲へのスイッチングが回避されます。
      • 周波数設定可能なバーストモードは、非常に軽い負荷で入ることができるため、スイッチング損失をさらに低減しながら、周波数制御によって可聴ノイズの影響を調整することもできます。 

同様に、各モードの切り替えポイントと動作ステータスをデジタルで調整して、効率と可聴ノイズの最適なバランスを実現することもできます。

HR121x製品ファミリは、クラス最高のパフォーマンスと集積を提供しながら、多くのアプリケーションの今日の効率要件を満たす優れたソリューションを提供します。また、デジタルコアにより、設計者は設計をさらに最適化して、今日の電力効率基準のすべての課題と次世代デバイスの新たな要件を満たす柔軟性を提供します。

 

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