點擊標題下「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下，MPS 公司開展的“產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目” 已進行了四年。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)學合作、協(xié)同育人，共同推進科技前沿創(chuàng)新，聯(lián)合培養(yǎng)了一流創(chuàng)新型和實踐型的人才，產(chǎn)出了一系列優(yōu)秀的項目成果。

本篇為大家展示的是福州大學張藝明老師的項目成果。

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

但是，當橋臂有多個開關(guān)管串聯(lián)時，需要多路自舉電路進行供電，帶來了成本的問題。同時，自舉電路中，上管的供電電壓小于下管的供電電壓，相差一個二極管的壓降，兩管的開通狀態(tài)并不完全對稱。以STC變換器為例，如圖1所示，對于右側(cè)三個下管，可以共用一路輔助電源，三個上管可以使用自舉電路進行供電，而對于左側(cè)的四個管子，需要相應(yīng)的輔助電源。采用自舉電路，會使得每一級自舉電路均帶來一定的壓降，造成器件導通狀態(tài)的不一致。采用多路獨立電源，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，需要非常多路的獨立電源，為門級驅(qū)動電路進行供電。這帶來了成本和復雜度等問題。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、可靠的多路獨立電源。

采用無線供電的方式，利用發(fā)射端的一路獨立電源，通過多個解耦接收線圈，提供多路磁隔離的獨立輔助電源。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)動器MP1907A，和LDO芯片MPQ2013A-AEC1等相關(guān)芯片，完成多路獨立輔助電源的設(shè)計任務(wù)，充分結(jié)合MPS在電源芯片方面的優(yōu)勢，基于MPS相應(yīng)的芯片，探索利用無線電能傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)多路磁隔離的獨立輔助電源方案，并為可能的新型芯片設(shè)計提供解決方案。

圖2：具體研究方案和使用的MPS芯片

隔離的獨立輔助電源無線充電系統(tǒng)拓撲如圖3所示，V_INV為逆變器直流輸入電壓，L_T為發(fā)射線圈，L_F為補償電感，L_RN (N=1，2，3，4）為接收線圈，C_T、C_F和C_RN為補償電容，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路負載電阻。

圖3：四接收無線充電系統(tǒng)拓撲

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) 耦合機構(gòu)設(shè)計 (b) 發(fā)射和接收線圈PCB圖

同時，利用該新型供電方式的研究項目，打造依托于科研項目的電力電子方向研究生科研訓練流程和評價指標，豐富科研訓練方法，開發(fā)設(shè)計型、甚至探索型的科研訓練實踐，讓學生不再停留在傳統(tǒng)的學習-考試的學習模式，以及依葫蘆畫瓢式接線的實驗實踐模式。通過與MPS充分的合作，引入產(chǎn)業(yè)界的導師，在研究生的培訓中發(fā)揮積極作用，探索新型的產(chǎn)學研合作模式。

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要求。在PFC+LCC、逆變電路、LDO等方面都會用到MPS芯片，下面詳細介紹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，以實現(xiàn)連續(xù)導通 (CCM) 和斷續(xù)導通 (DCM) 混合工作模式。

在重載下，CCM可以降低 MOSFET 的峰值電流，擴大控制器的負載范圍。在輕載下，DCM可降低開關(guān)頻率，以實現(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級采用電流控制模式，可以實現(xiàn)出色的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。根據(jù)不同的負載條件，可執(zhí)行三種不同的運行模式: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)時間調(diào)節(jié)(ADTA)和容性模式保護(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 AC 信號丟失時，高壓(HV)電流源可充當X電容放電器，因此無需使用電容電阻。提供多種保護，包括過溫關(guān)斷保護(TSD)、PFC開環(huán)保護(OLP)、過壓保護(OVP)、過流限值(OCL)和 LLC過流保護(OCP)、SO 引腳保護以及過功率保護(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)榻涣麟妷海孀冾l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信號給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路控制MOSFET管導通，MOSFET驅(qū)動器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)動器。其低端和高端驅(qū)動通道分別獨立控制，且匹配時間延遲小于 5ns。高低兩端驅(qū)動電壓的欠壓鎖定保護（UVLO），在供電不足時強制低輸出。兩個輸出保持低電平直到檢測到任意輸入上升沿時。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，價格低廉，使用方便等特點。

項目合作期間引入了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。MPQ2029-AEC1采用SOIC8 EP封裝。如圖8所示為采用MPQ2029-AEC1實現(xiàn)LDO。

圖8：MPQ2029用于LDO

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

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

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