电源和能源 - 电源转换2019年9月

ST 电源管理方案 2

数字和模拟电源管理方案

STNRG family

高压转换器

VIPerPlus

Smart Things

Smart Home & City

Smart Industry

智能充电

Wireless Power

P&E

开关电源方案Solutions from W to KW

3

高效高压转换器 数字化二合一 数字化三通道PFC控制器

Unique system know-how and innovative architectures with high power-density & efficiency

高效率在所有负载情况下

最少的元器件数量, 高功率密度, 高性能

通过数字和模拟相结合来实现灵活和简单的设计

15 WVIPerPlus STNRG011 STNRGPF01500 WOver

1 kW

数字电源方案STNRG011 – Digital Combo

二合一开关电源方案Digital Combo

5

BOM减少性能提升

L临界模式PFC和LLC谐振半桥二合一控制器

KEY APPLICATIONS

AC-DC 80-300W SMPS in:

• Industrial medium power

• Medical equipment

• High-end (large screen) TVs, server and desktop

• High power adapters

• 集成800V高压启动

• 集成X电容放电线路, 最大化安全设计, 通过IEC62368-1 Ed. 2.0

• PFC为增强型固定开通时间控制以及THD优化, 来实现最优的THD性能(照明应用)

CC/ CV

controllerLoad

PFC

with HV

start up

Active

x-cap

discharge

Primary

controller

Synch

rectification

IC driver

~AC

main

CC/ CV

controllerLoad

Synch

rectification

IC driver

~AC

main

Allows compliancy with major energy directives: ErP Lot 6/7, DOE, EuCoC and more with

< 100mW energy consumption at no-load

从模拟方案到数字方案 6

从模拟方案过渡到数字方案中功率的开关电源应用

TV SMPS

All-in-one

Industrial SMPS

High power adapters

Lighting

STNRG011 7

High-voltage fully integrated digital power resonant controller with multimode PFC

KEY APPLICATIONS

from 90W to 300 W

• All In One PCs and Power PC

• Power supply for TVs

• Industrial and medical equipment

• LED Power Supply

数字化二合一方案所有的模拟控制和驱动都集成

更少的外围器件数量: BOM 减少基于800 V 高压起动, 线电压检测以及X电容放电的集成

小封装: SO20 封装

动态响应: 时移LLC控制

安全工作: 完整的保护功能

灵活性和可连接性: FPGA 仿真以及UART监控内部软件,黑匣子功能

数字方案提供灵活的, 高性能以及通讯功能, 模拟电路工程背景完全可以独立自主完成整个设计

STNRG011 系统视图 8

BOOT

HVG

FGND

VAC

n.c.

n.c.

Vcc

PFC_GD

PGNDLVG

SGND

VCORE

PFC_FB

PFC_CS

PFC_ZCD

RX

TX

LLC_CS

LLC_AUX

LLC_FB

Power Section

Signal Section

SO20

TS LLC RESONANT HALF-BRIDGE

WITH SYNCH RECTIFIER

SRK2001

VOUTVINac

MULTIMODE reCOT TM PFC

STNRG011

STNRG011 system schematic and pinout

STNRG011两大概念• 增强型 Constant-ON-Time PFC

• 时移 LLC

PFC section

• PFC LV LS driver integrated( 集成的PFC驱动线路)

• Up to 20V (最高支持20v)

• 1A Peak Current Drive Capability(1A 峰值驱动能力)

• Integrated HV start up & HV sense for AC line sense(内部集成高压启动源和输入电压检测功能)

• AC disconnection detection & Xcapdischarge （输入电压断电检测和X电容放电功能）

• Brown out detection（输入电压掉电检测）

• Surge detection(输入电压浪涌检测)

KEY features特点 Algorithms & Operations算法

• Ramp Enhanced Constant On Time (ST patented) with 2 speed loop(具备两种环路速度的增强型固定导通时间控制算法(ST专利)

• Very good PF, THD and dynamic performance(优异的PF，THD和动态特性)

• New “Ramp” compensation (patented): compensate input capacitive loads to achieve highest PF (新型补偿算法进一步提高PF）

• Multi mode operation（PFC拥有多种模式工作状态）

• TM at medium / high loads(中、重载对应临界模式）

• TM, Valley skipping & Skipping Area at low load（轻载条件下对应于跳谷底或间歇工作模式）

• Burst Mode at very low load(极轻负载条件下对应于打嗝模式)

10

改进固定导通时间的算法机理

IthsinTL

VpkIpk ON +=

如果选择合适的Ith, 那么每个周期的电感里的平均电流就是

sinTL

VpkI ONL

2

1

好处: 导通时间受非线性因素的影响降低到最低，PF和THD的性能和峰值电流控制方式无差别

环路计算所得到的导通时间是从当电感的电流超过Ith:后开始计时

Vgs

IL

Ipk

Ivalley

Ith

TON

Equal areas

TON

With conventional

control timer starts here开通时刻

11

THD优化器• 改进后的固定导通时间的算法可以明显降低由于输入电压过零时的电流畸变而引

起输入整流桥的死区导通时间

• 这种方法可以在输入电压过零时明显增加电感的储能从而可以提高能量的传输能力

• 另外这种算法还可以补充整流桥后的滤波电容带来的无功功率

Input: 230 V AC

Output: 12 V / 12.5 A

PF: 0.982

THD: 12.83%

Input: 230 V AC

Output: 12 V / 12.5 A

PF: 0.994

THD: 3.34%

Without ReCOT With ReCOT

12

LLC 部分

• LLC高压半桥的驱动

• 600V耐压

• 1A 峰值驱动电流

• 上下驱动的延迟时间的匹配

• dv/dt能力可达到±50v/nS

• 优点和保护功能

• 安全启动

• 容模保护

• 过流保护管理

• 时移控制(ST专利)

• 改善动态特性

• 易于补偿环路设计

• (> 50dB) 有效的输入母线纹波抑制

• 打嗝模式

• 打嗝模式下， LLC为主控制

• 具备设定固定的打嗝间隔和次数和软启动和关断的特点可以改善音频噪音，

• 大多数电路在无开关期间关闭, 静态电流为500uA

主要热点 算法与运算

13

• 时移数值Tsh定义为: 以谐振腔电流过零点为起始，到半桥中点电压变化为止的时间

• 时移数值和谐振腔电流的相位关系：

时移控制的概念

Operation at capacitive-mode boundary

TSH =Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpkt

t

iR

vHB

Operation at nominal load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

t

t

iR

vHB

p

Operation at zero load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

Tsw / 4

t

t

iR

vHB

swSH

fT

1

2p

−p=

Operation at capacitive-mode boundary

TSH =Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpkt

t

iR

vHB

Operation at nominal load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

t

t

iR

vHB

p

Operation at zero load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

Tsw / 4

t

t

iR

vHB

Operation at capacitive-mode boundary

TSH =Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpkt

t

iR

vHB

Operation at nominal load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

t

t

iR

vHB

p

Operation at zero load

TSH

Tsw / 2

Tsw

Vin

Vin/2

IRpk

Tsw / 4

t

t

iR

vHB

14

Phase of G2

-50

0

50

100

150

200

10 100 1000 10000 100000

Vin = 300 V, 100% load

Vin = 400 V, 100% load

Vin = 440 V, 100% load

Module of G2

-20

-10

0

10

20

30

10 100 1000 10000 100000

Vin = 300 V, 100% load

Vin = 400 V, 100% load

Vin = 440 V, 100% load

( )jGGg Modm 2

dB

de

gre

es

( ) jG2

FrequencyHz

Hz

Module of G2

-30

-20

-10

0

10

20

30

10 100 1000 10000 100000

Vin = 300 V, 10% load

Vin = 400 V, 10% load

Vin = 440 V, 10% load

Phase of G2

0

50

100

150

200

10 100 1000 10000 100000

Vin = 300 V, 10% load

Vin = 400 V, 10% load

Vin = 440 V, 10% load

( ) jG2

dB

de

gre

es

FrequencyHz

Hz

( )jGGg Modm 2

@ 10%负载

• 单极点特性

• 右半平面的零点对于与很高的频率，方便补偿环路的设计和调试

@100%负载

• 低母线电压下呈现低Q值和2阶响应

• 高母线电压下呈现单极点特性

• 右半平面的零点对于与很高的频率，方便补偿环路的设计和调试

时移控制算法的动态特性 15

Resonant Tank current

Resonant Cap voltage

HB midpoint voltage

HG

LG

时移控制方法

Resonant Tank current

HG

LG

Hard-switching + body diode recovery

No soft-switching

Resonant Cap voltage

HB midpoint voltage

直接频率控制方法

时移控制可以消除开机时的硬开关风险 16

• Measures on a 24V/170W LLC @Vindc = 395 Vdc

• 对于DFC 和 TSC，环路补偿的优化是不同的

60.7 dB

Time-shift control (TSC)

43.6 dB

Direct Frequency control (DFC)

时移控制的波形100 Hz 输入纹波的抑制

• 100Hz纹波抑制比从43.6dB 提高60.7dB, 和电流型控制的效果相当

17

Time-shift control (TSC)

• Measured at 390 Vdc, Iout = 8 A

Direct Frequency control (DFC)

时移控制的波形12V/240W LLC 同步整流

• 低频振荡完全消除

18

• Measured at 390 Vdc, Iout = 3 A

• 输出侧的打嗝模式下的波形更为干净，输出纹波更小

Time-shift control (TSC)Direct Frequency control (DFC)

19时移控制的波形

12V/240W LLC 同步整流

STNRG011 NVM 参数 20

• 保护功能

• 保护行为(锁住/重启)

• 保护电位/数字滤波时间

• 比较器的滤波时间和回滞电压

• PFC

• PFC的软启动参数

• PFC 的环路补偿

• PFC 轻载的工作模式设定

• PFC 增强型THD优化功能的参数设定

• PFC 的工作模式切换对应的最高频率点的设置

• PFC 的母线电压，母线欠压，母线过压保护电的设定

• LLC

• LLC的死区时间

• LLC安全启动和软启动的相关参数

• 打嗝模式

• 进出打嗝模式对应的功率点

• 打嗝脉冲次数的设定

通过NVM可以编程的参数→无需修改硬件参数

STNRG011 系统 21

软件支持 – GUI和用户手册

硬件 – 3 种演示板

• 150W PC 电源, 通用开关电源应用(LLC 拓扑)

• 150W LED 照明应用 (LCC 拓扑)

• 200W TV 电源 (单层PCB设计)

Digital Combo : “TM PFC + LLC” in one Single chip

STNRG011 系统 22

DatasheetDS12075: Digital combo multi-mode PFC and time-shift LLC resonant

controller

Application

notes

AN5118: 12 V – 150 W power supply based on STNRG011 digital combo

and SRK2001 adaptive synchronous rectifier controller

AN5119: How to design an application from draft with STNRG011

User

manuals

UM2340: STNRG011 NVM parameters description

UM2342: Getting started with the STEVAL-PCC020V1: USB to I²C UART

interface board and associated GUI for STNRG products

EVLSTNRG011-15012 V, 150 W power supply based on STNRG011 digital combo and

SRK2001 adaptive synchronous rectifier controller

STEVAL-PCC020V1STEVAL-PCC020V1 USB to I2C/UART bridge evaluation board for

HVDPS STNRG011

Documentation

Hardware tools

Software tools

To support design-in and shorten time-to-market

STSW-STNRG011GUIGraphical user interface for the STEVAL-PCC020V1 USB to I²C/UART

interface board for STNRG011

STNRG011 性能测试报告 23

115Vac Vout [V] Iout [A] Pout [W] Pin [W] η [%]

100mW 12.039 0.009 0.11 0.19 57.03

250mW 12.042 0.02097 0.25 0.38 66.45

500mW 12.037 0.04189 0.50 0.69 73.08

10% 12.042 1.254 15.10 18.93 79.77

20% 12.04 2.498 30.08 34.68 86.72

25% 12.039 3.126 37.63 42.64 88.26

50% 12.035 6.255 75.28 82.70 91.03

75% 12.027 9.369 112.68 122.71 91.83

100% 12.022 12.498 150.25 164.14 91.54

Average (100, 75, 50, 25 %) = 90.66

230Vac Vout [V] Iout [A] Pout [W] Pin [W] η [%]

100mW 12.04 0.009 0.11 0.20 54.18

250mW 12.042 0.02097 0.25 0.38 66.45

500mW 12.037 0.04167 0.50 0.69 72.69

10% 12.042 1.254 15.10 18.63 81.06

20% 12.04 2.498 30.08 34.15 88.07

25% 12.038 3.126 37.63 42.06 89.47

50% 12.035 6.255 75.28 81.72 92.12

75% 12.031 9.369 112.72 121.12 93.06

100% 12.028 12.498 150.33 161.43 93.12

Average (100, 75, 50, 25 %) = 91.94

No load Pin

115 Vac 51 mW

230 Vac 63 mW

Excellent no load consumption!

115Vac 230Vac

Load THD PF THD PF

50% 6.90% 0.9835 10.80% 0.9323

60% 4.50% 0.989 8.20% 0.9517

70% 4.20% 0.9918 8.00% 0.9628

80% 3.90% 0.9936 7.70% 0.9701

90% 3.70% 0.9944 3.40% 0.9872

100% 3.30% 0.9948 3.10% 0.9823

STNRG011性能测试报告 24

European Coc ver. 5 Tier 2 for

External Power Supply

Limits Result

115Vac

Result

230Vac

Status

Avg Efficiency at 25, 50, 75, 100% > 89% 90.66% 91.94% Pass

Eff @ 10% > 79% 79.77% 81.06% Pass

No load [W] < 0.15 W 0.051 W 0.063 W Pass

ENERGY START for computer

ver 6.1

Limits Result

115Vac

Result

230Vac

Status

Efficiency at 20 % load > 82% 86.72% 88.07% Pass

Efficiency at 50 % load > 85% 91.03% 92.12% Pass

Efficiency at 100 % load > 82% 91.54% 93.12% Pass

Power factor at 100% load > 0.9 0.995 0.982 Pass

DOE – EISA 2007

(from 2016)

Limits Result

115Vac

Result

230Vac

Status

Avg Efficiency at 25, 50, 75, 100% > 0.88 90.66% 91.94% Pass

No load [W] < 0.15 W 0.051 W 0.063 W Pass

ErP Lot 7 Limits Result

115Vac

Result

230Vac

Status

Avg Efficiency at 25, 50, 75, 100% > 0.87 90.66% 91.94% Pass

No load < 0.5 W 0.051 W 0.063 W Pass

STNRGPF01 数字化交错PFC方案 25

Configurable interleaved PFC able to drive up to 3 channels featuring mixed Analog-Digital control

KEY APPLICATIONS

Power factor pre-regulator above 1 kW

• Industrial motors, Welding machines, Motors, Pumps

• Telecom SMPS, Uninterruptible Power Supplies (UPS)

• Air conditioners, Refrigerators, Cookers, Washers and Dryers

容易实现的数字电源优势: 完全通过GUI来配置实现

BoM 减少, 尺寸更小: 减少 EMI 铝箔电感的体积, 减少输出电容的RMS电流

多种应用: MOSFETs和IGBTs都适用

宽范围负载实现高效: 可配置的相位屏蔽

高可靠性: 软启动来减小电流应力, 同时控制浪涌电流

方便的连接: 支持UART/ I2C 数字接口

适合户外应用: - 40 to +105 °C 的温度范围

数字化交错连续模式PFC控制器, 理想的大功率PFC控制方案

STNRGPF01 数字化交错PFC方案 26

5.5 cm

Configurable interleaved PFC able to drive up to 3 channels featuring mixed Analog-Digital control

• 定频CCM 平均电流模式控制

• 不需要写软件

• 浪涌电流控制以及软启动

• 支持 Burst mode

• 过流和过温保护

• 灵活的相位屏蔽策略

• 频率高达 300 kHz 可驱动MOSFETs和IGBTs

• TSSOP38 封装 3 kW PFC 演示板基于STNRGPF01

eDesign Suite to configure the PFC

for the specific application