點(diǎn)擊標(biāo)題下「MPS芯源系統(tǒng)」可快速關(guān)注

在國家教育部高等教育司的指導(dǎo)下，MPS 公司開展的“產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目” 已進(jìn)行了四年。四年來，MPS 公司匯聚行業(yè)資源，圍繞產(chǎn)業(yè)的最新技術(shù)和解決方案，支持全國高校人才培養(yǎng)和專業(yè)綜合改革，深化產(chǎn)教融合、產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人，共同推進(jìn)科技前沿創(chuàng)新，聯(lián)合培養(yǎng)了一流創(chuàng)新型和實(shí)踐型的人才，產(chǎn)出了一系列優(yōu)秀的項(xiàng)目成果。

本篇為大家展示的是福州大學(xué)張藝明老師的項(xiàng)目成果。

在DC/DC變換器中，多個(gè)開關(guān)器件的輔助電源需要各自獨(dú)立的隔離電源。以全橋變換器為例，橋臂的上管和下管需要隔離的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的供電電源。傳統(tǒng)方案采用自舉電路這樣一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)供電，采用一個(gè)獨(dú)立電源，就可以為多路串聯(lián)管子實(shí)現(xiàn)輔助電源供電。該方案簡單、可靠和成本低。

但是，當(dāng)橋臂有多個(gè)開關(guān)管串聯(lián)時(shí)，需要多路自舉電路進(jìn)行供電，帶來了成本的問題。同時(shí)，自舉電路中，上管的供電電壓小于下管的供電電壓，相差一個(gè)二極管的壓降，兩管的開通狀態(tài)并不完全對(duì)稱。以STC變換器為例，如圖1所示，對(duì)于右側(cè)三個(gè)下管，可以共用一路輔助電源，三個(gè)上管可以使用自舉電路進(jìn)行供電，而對(duì)于左側(cè)的四個(gè)管子，需要相應(yīng)的輔助電源。采用自舉電路，會(huì)使得每一級(jí)自舉電路均帶來一定的壓降，造成器件導(dǎo)通狀態(tài)的不一致。采用多路獨(dú)立電源，又帶來了額外的成本。

圖1：STC變換器

在模塊化多電平變換器（Modular Multi-level Converter，MMC）中，由于模塊數(shù)眾多，需要非常多路的獨(dú)立電源，為門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行供電。這帶來了成本和復(fù)雜度等問題。因此，需要HR1211研究新型的輔助電源供電方式，為電力電子變換器提供相互隔離、可靠的多路獨(dú)立電源。

采用無線供電的方式，利用發(fā)射端的一路獨(dú)立電源，通過多個(gè)解耦接收線圈，提供多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源。研究方案如圖2所示，將深度與MPS公司合作，采用MPS公司的多種芯片，包含PFC/LLC組合控制器HR1211，MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A，和LDO芯片MPQ2013A-AEC1等相關(guān)芯片，完成多路獨(dú)立輔助電源的設(shè)計(jì)任務(wù)，充分結(jié)合MPS在電源芯片方面的優(yōu)勢(shì)，基于MPS相應(yīng)的芯片，探索利用無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源方案，并為可能的新型芯片設(shè)計(jì)提供解決方案。

圖2：具體研究方案和使用的MPS芯片

隔離的獨(dú)立輔助電源無線充電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示，V_INV為逆變器直流輸入電壓，L_T為發(fā)射線圈，L_F為補(bǔ)償電感，L_RN (N=1，2，3，4）為接收線圈，C_T、C_F和C_RN為補(bǔ)償電容，M_N為發(fā)射和接收線圈L_RN之間的互感，V_RECN為N路整流器直流輸出電壓，R_LN為N路負(fù)載電阻。

圖3：四接收無線充電系統(tǒng)拓?fù)?/span>

基于有限元仿真軟件建立線圈結(jié)構(gòu)模型模型如圖4(a)所示，4個(gè)接收線圈之間相互解耦，繪制的相應(yīng)PCB線圈如圖4(b)所示。

圖4：(a) 耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (b) 發(fā)射和接收線圈PCB圖

同時(shí)，利用該新型供電方式的研究項(xiàng)目，打造依托于科研項(xiàng)目的電力電子方向研究生科研訓(xùn)練流程和評(píng)價(jià)指標(biāo)，豐富科研訓(xùn)練方法，開發(fā)設(shè)計(jì)型、甚至探索型的科研訓(xùn)練實(shí)踐，讓學(xué)生不再停留在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)-考試的學(xué)習(xí)模式，以及依葫蘆畫瓢式接線的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐模式。通過與MPS充分的合作，引入產(chǎn)業(yè)界的導(dǎo)師，在研究生的培訓(xùn)中發(fā)揮積極作用，探索新型的產(chǎn)學(xué)研合作模式。

該方案簡單、可靠，并且自然滿足了電氣的隔離和絕緣的等級(jí)要求。在PFC+LCC、逆變電路、LDO等方面都會(huì)用到MPS芯片，下面詳細(xì)介紹MPS芯片在多路隔離的輔助電源新型供電方式中的應(yīng)用。

1. PFC+LLC

功率因數(shù)校正（PFC）將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流電通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)過發(fā)射線圈將能量從發(fā)射側(cè)傳到接收側(cè)。

HR1211 是一款多模式 PFC 和電流模式 LLC 數(shù)字組合控制器，可通過 UART 接口配置。其集成的節(jié)能技術(shù)有助于在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)優(yōu)化效率。PFC控制器采用獲得專利的數(shù)字平均電流控制方案，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通 (CCM) 和斷續(xù)導(dǎo)通 (DCM) 混合工作模式。

在重載下，CCM可以降低 MOSFET 的峰值電流，擴(kuò)大控制器的負(fù)載范圍。在輕載下，DCM可降低開關(guān)頻率，以實(shí)現(xiàn)更高效率。突發(fā)模式采用可配置的數(shù)字軟切換，可改善輕載效率，降低音頻噪聲。

LLC級(jí)采用電流控制模式，可以實(shí)現(xiàn)出色的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。根據(jù)不同的負(fù)載條件，可執(zhí)行三種不同的運(yùn)行模式:穩(wěn)態(tài)模式、跳頻模式和突發(fā)模式。通過這種方法，可以分別優(yōu)化不同負(fù)載條件下的效率。在輕載下，采用由頻率控制的數(shù)字突發(fā)模式來降低開關(guān)功率損耗和音頻噪聲。 此外，還采用自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)(ADTA)和容性模式保護(hù)(CMP)來確保零電壓開關(guān)(ZVS)，無需采用容性模式。

HR1211 可以采用內(nèi)部高壓電流源來上電，因此無需使用傳統(tǒng)的上電電阻或外部電路。當(dāng) AC 信號(hào)丟失時(shí)，高壓(HV)電流源可充當(dāng)X電容放電器，因此無需使用電容電阻。提供多種保護(hù)，包括過溫關(guān)斷保護(hù)(TSD)、PFC開環(huán)保護(hù)(OLP)、過壓保護(hù)(OVP)、過流限值(OCL)和 LLC過流保護(hù)(OCP)、SO 引腳保護(hù)以及過功率保護(hù)(OPP)。如下圖5為MPS公司的HR1211典型應(yīng)用電路圖。

圖5：HR1211用于PFC+LLC

2. 逆變模塊

逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，逆變頻率常采用85kHZ，MOSFET管要有良好的耐壓和散熱性能，通過DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET管導(dǎo)通，MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A采用MPS公司芯片，MP1907A 是一款高頻 100V 半橋 N-通道功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。其低端和高端驅(qū)動(dòng)通道分別獨(dú)立控制，且匹配時(shí)間延遲小于 5ns。高低兩端驅(qū)動(dòng)電壓的欠壓鎖定保護(hù)（UVLO），在供電不足時(shí)強(qiáng)制低輸出。兩個(gè)輸出保持低電平直到檢測(cè)到任意輸入上升沿時(shí)。集成自舉二極管減少了外部部件的使用。

MP1907A 采用 QFN-10封裝。如圖6所示為MP1907A的典型應(yīng)用電路。逆變電路設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

圖6：MP1907A典型應(yīng)用電路

圖7：逆變電路原理圖

3. LDO

LDO是一種直流降壓型的線性穩(wěn)壓器，其在輸入電壓或者負(fù)載電流發(fā)生變化的情況下仍然可以保持穩(wěn)定的輸出電壓。如今的LDO電路具有體積小，噪聲低，功耗低，價(jià)格低廉，使用方便等特點(diǎn)。

項(xiàng)目合作期間引入了MPS公司MPQ2029-AEC1芯片，MPQ2029-AEC1是一款低功耗線性穩(wěn)壓器，使用高壓電池為系統(tǒng)供電。MPQ2029-AEC1具有3V至40V輸入范圍、低壓差電壓和低靜態(tài)輸入電流。低靜態(tài)電流和低壓差電壓允許在極低功率水平下運(yùn)行，使MPQ2029-AEC1成為低功率微控制器和電池供電設(shè)備的理想選擇。

MPQ2029-AEC1提供1.25V至15V的可調(diào)輸出范圍。調(diào)節(jié)器的輸出電流受到內(nèi)部限制，并且該設(shè)備受到短路、過載和過熱條件的保護(hù)。MPQ2029-AEC1采用SOIC8 EP封裝。如圖8所示為采用MPQ2029-AEC1實(shí)現(xiàn)LDO。

圖8：MPQ2029用于LDO

結(jié)合MPS在電源芯片方面的優(yōu)勢(shì)，采用MPS公司的多種芯片，包含PFC/LLC組合控制器HR1211，MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A，和LDO芯片MPQ2013A-AEC1等相關(guān)芯片，完成了多路獨(dú)立輔助電源的設(shè)計(jì)任務(wù)，探索了利用無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源方案。同時(shí)，利用該新型供電方式的研究項(xiàng)目，打造了依托于科研項(xiàng)目的電力電子方向研究生科研訓(xùn)練流程和評(píng)價(jià)指標(biāo)，豐富了科研訓(xùn)練方法。

歡迎各大高校師生加入MPS產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，校企共發(fā)展、協(xié)作育新人！

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