Monolithic Power Systems, Inc. · NASDAQ:MPWR
Monolithic Power Systems — Technical Presentation (September 2022)
32 slides from Monolithic Power Systems's technical presentation, September 2022
Slide 1: 600W ATX電源 PC用電源ユニット向け LLC共振コンバータ
600W ATX電源 PC用電源ユニット向け LLC共振コンバータ 岩本純一 シニアFAEマネージャー MPSジャパン 2022年9月 rev 20180504
Slide 2: コンテンツ
コンテンツ • LLCを使用したアプリケーションとその使用動機 • LLCコンバータを理解する • 動作原理 • パワースイッチ • 共振タンク • 設計時の制限 • ゲイン • 負荷 • 周波数 • インダクタンス • 設計プロセス: LLC Designer • Q&A
Slide 3: AC/DCソリューション
AC/DCソリューション LLC共振コンバータは、高電力、高効率コンバータで使用される スイッチモードのDC/DC電力コンバータです。 ゲーミングおよび PC電力用の高品質PSU 高電力のバッテリチャージャ
Slide 4: PFC + LLCコンボコントローラ >75W
高電力アダプタ向けソリューション: PFC + LLCコンボコントローラ • <100mW 待機時電力 IC HR1210 HR1211 HR122x コンボコントローラ - 第3世代 - 第3世代 - 第4世代 フルデジタル フルデジタル HR1210/1よりも >75W PFC + LLC PFC + LLC 性能向上 HR1200 HR1201 HR1203 HR1204 デジタルPFC + デジタルPFC + - 第2世代 – 第2世代 アナログLLC アナログLLC HR1200よりも機能 HR1201よりも 高電圧電源Vcc スタンドアロンVcc 改善したPFC 機能改善したPFC
Slide 5: アプリケーション
アプリケーション PC向け高電力、高効率PSU: • P = 600W • 効率 > 90% • Vin = 230 VRMS • Vout = 3.3V / 5V / 12V • Iout = 8A / 15A / 55A 長所 短所 共振 → より低いEMI 設計と制御がより難しい 1次側および2次側でのソフトスイッチング 固定周波数制御ができない 広範囲でソフトスイッチングが可能 → 軽負荷でより高い 効率を実現 出力インダクタ不要 (面積 / 費用を節約) より広い電力幅
Slide 6: LLCを理解する
LLC® EARS S Bt S NELLCH At 128 mrs
Slide 7: LLCの動作原則
LLCの動作原則 電力スイッチ: 共振タンク: トランス 整流器 DCを高周波ACに変換 矩形波を正弦にフィルタ • 電圧スケーリング ACを出力用DCに変換 • ハーフブリッジ • Lr → 共振インダクタ • 絶縁 • 同期 • フルブリッジ • Lm → 磁化インダクタ • n = 回転比 • ダイオード • Cr → 共振コンデンサ 𝑉𝑜 𝑛 𝐺𝑎𝑖𝑛 = = 𝑀𝑔 𝑄, 𝐿𝑛, 𝐹𝑛 𝑉𝑖𝑛 2
Slide 8: パワースイッチ
パワースイッチ フルブリッジ フルブリッジ ハーフブリッジ 費用 ↑ ↓ DC 0V VIN/2 オフセット ハーフブリッジ 振幅 VIN VIN/2 導電損失 ↓ ↑ スイッチング ↑ ↓ 損失 電力 > 1 kW < 1 kW
Slide 9: 共振タンク
共振タンク Mg = 共振タンクゲイン ゲインは負荷品質ファクタ (Q) 、動作周波数 (Fn) および Frにおける インダクタンス (Ln) に依存: ユニタリーゲイン 8𝑛2 𝑉𝑜 𝐿𝑟 /𝐶𝑟 𝑓𝑠 𝐿𝑚 𝑅𝑎𝑐 = 2 𝑄= 𝐹𝑛 = 𝐿𝑛 = 𝜋 𝐼𝑜 𝑅𝑎𝑐 𝑓𝑟 𝐿𝑟 𝑉𝑜 𝑎𝑐 𝐹𝑛2 𝐿𝑛 − 1 𝑀𝑔 𝑄, 𝐿𝑛, 𝐹𝑛 = = 𝑉𝑖𝑛 𝑎𝑐 𝐹𝑛2 − 1 2 + 𝐹𝑛2 · 𝐹𝑛2 − 1 · 𝐿𝑛 − 1 2 · 𝑄2 LLC タン ク…
Slide 10: 共振タンク
共振タンク • Cr : 共振コンデンサ • Lr : 共振インダクタ • Lm : 磁化インダクタ 1 𝑓𝑟 = 2𝜋 𝐿𝑟 𝐶𝑟 マルチ共振 1 𝑓𝑚 = 2𝜋 (𝐿𝑚 + 𝐿𝑟 )𝐶𝑟 C + LSERIES 共振タンク PARALLEL 共振タンク 重負荷 軽負荷 なぜ2つのインダクタなのか? マルチ共振。マルチ共振タンクに は以下の効果があります: • 帯域幅を拡大 • より簡単な制御 • より大きな負荷バリエーショ ンを許容
Slide 11: LLCコンバータ設計時の制限
LLCコンバータ設計時の制限 最適化されたLLC設計 第2部
Slide 12: ゲイン
ゲイン 入力 / 出力: Mg = 共振タンクのゲイン • VIN = 400V 公称共振ゲイン: Mg_NOM = 1 • fr = 100kHz 𝑉𝑜 · 𝑛 40 · 10 𝑀𝑔 = = =1 𝑉𝑖𝑛 400 • VOUT = 40V Mg_NOM • n = 10 1 共振タンク 𝑉𝑖𝑛 · 𝑀𝑔 · = 𝑉𝑜 𝑛 Vin Mg 1/n Vo 𝑁𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦 𝑀𝑔 𝑄, 𝐿𝑛, 𝐹𝑛 𝑛= 𝑁𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑎𝑟𝑦 可変 固定
Slide 13: VIN機能としてのゲインの制限
VIN 機能としてのゲインの制限 入力 / 出力: Mg = 共振タンクのゲイン 共振タンク 1 𝑉𝑖𝑛 · 𝑀𝑔 · = 𝑉𝑜 • VIN = 400V Mg_NOM = 1 𝑛 Nominal Resonant Gain: • fR = 100kHz 𝑉𝑜 · 𝑛 40 · 10 𝑀𝑔 = = =1 • VOUT = 40V 𝑉𝑖𝑛 400 • n = 10 最大共振ゲイン: Mg_MAX = 1.1 ∆VIN: 𝑉𝑜 · 𝑛 40 · 10 • VINMAX = 360V 𝑀𝑔 = = = 1.05 𝑉𝑖𝑛_𝑀𝐼𝑁 360 •…
Slide 14: 負荷 (Q)
負荷 (Q) 品質係数 (Q): 10%負荷 𝐿𝑟 /𝐶𝑟 𝑄= Qは負荷に依存 50%負荷 最大ピークゲイン 𝑅𝑎𝑐 負荷: フル負荷 o 10%負荷 過負荷 ユニティゲイ o 50%負荷 ン o 100%負荷 o 過負荷 ピークゲイン周波数は負荷とともに増加 最悪のシナリオ: 過負荷
Slide 15: 周波数: 制御変数
周波数: 制御変数 ゲイン 安定した制御 容量性 / 誘導性領域: ゲインは周波数に比例しますが、その関係性は 動作領域で異なります。 ゲインの制御はスイッチング周波数の調整に よって行います: ゲイン ∝ fSW (誘導性領域) 偶然容量性領域に入った場合: 1. 制御ループが不安定になる可能性 2. スイッチングMOSFETへのダメージ (貫通) 周波数
Slide 16: 周波数: 制御変数
周波数: 制御変数 fMINを見つける: すべての負荷を安定的に制御したい。 最悪のシナリオ: 過負荷 負荷 X f
Slide 17: 周波数: 制御変数
周波数: 制御変数 fMINを見つける: すべての負荷を安定的に制御したい。 最悪のシナリオ: 過負荷 負荷 X f
Slide 18: 周波数: 制御変数
周波数: 制御変数 fMINを見つける: すべての負荷を安定的に制御したい。 最悪のシナリオ: 過負荷 fMAXを見つける: 最大周波数はパワースイッチのfSW_MAX に よって制限される fSW ウインドウを定義する: fMIN < fSW < fMAX X ゴールは以下のゲイン要求を満たすこと: fSW_MIN → MG_MAX fSW_MAX → MG_MIN
Slide 19: インダクタンス
インダクタンス インダクタ: Ln = 3 • Lm: 磁化インダクタ Ln = 3 • Lr: 共振インダクタ • Ln: 正規化インダクタ 𝐿𝑚 𝐿𝑛 = 𝐿𝑟 Q (負荷) の同じ値において、周波数は正規化インダ クタンスに依存します: • より大きなLn: より低い磁化電流 = より高い効率 • より小さなLn: より高い昇圧ゲイン = より広い入 力幅
Slide 20: インダクタンス
インダクタンス インダクタ: Ln = 3 • Lm: 磁化インダクタ Ln Ln == 63 • Lr: 共振インダクタ • Ln: 正規化インダクタ 𝐿𝑚 𝐿𝑛 = 𝐿𝑟 Q (負荷) の同じ値において、周波数は正規化インダ クタンスに依存します: • より大きなLn: より低い磁化電流 = より高い効率 • より小さなLn: より高い昇圧ゲイン = より広い入 力幅
Slide 21: インダクタンス
インダクタンス Ln = 6 インダクタ: Ln = 3 • Lm: 磁化インダクタ Ln Ln===963 Ln • Lr: 共振インダクタ • Ln: 正規化インダクタ 𝐿𝑚 𝐿𝑛 = 𝐿𝑟 Q (負荷) の同じ値において、周波数は正規化インダ クタンスに依存します: • より大きなLn: より低い磁化電流 = より高い効率 • より小さなLn: より高い昇圧ゲイン = より広い入 力幅
Slide 22: インダクタンス
インダクタンス Ln = 6 インダクタ: Ln = 3 • Lm: 磁化インダクタ Ln Ln===963 Ln • Lr: 共振インダクタ • Ln: 正規化インダクタ 𝐿𝑚 𝐿𝑛 = 𝐿𝑟 ピー クゲ Q (負荷) の同じ値において、周波数は正規化インダ イン クタンスに依存します: • より大きなLn: より低い磁化電流 = より高い効率 • より小さなLn: より高い昇圧ゲイン = より広い入 力幅 負荷 (Q)
Slide 23: Ln、Qおよび周波数
Ln、Qおよび周波数 負荷: 最悪のシナリオ: 過負荷 (高Q) ゲイン: 最悪のシナリオ: 低VIN → Mg_MAX ピー クゲ イン 負荷 (Q)
Slide 24: AVEIB
AVEIB Peak Gain Mg_max eb Loa Z 100% Load —_ 110% Load Overload : pibiiiy Qovertoan 1084 (9) Valid fsw range FAR MIN Cterational fax Afsw mrs
Slide 25: LLCコンバータ設計プロセス: LLC設計ツール
LLCコンバータ設計プロセス: LLC設計ツール 最適化されたLLC設計 第3部
Slide 26: リファレンスデザイン – 600W ATX PSU
リファレンスデザイン – 600W ATX PSU MPSより近日リリース予定 LLC
Slide 27: MPSのソリューション – HR1213
MPSのソリューション – HR1213 • マルチモードPFCおよび電流モードのデジタルLLC • PFCとハーフブリッジLLCドライバを内蔵 • UART通信プロトコル
Slide 28: GUI UART – HR121x
GUI UART – HR121x UARTシングルワイヤ、シリアルプロトコル 主要パラメータを調整 動作を監視 (制御定数、保護など) (入力電圧、入力電流など) MPS
Slide 29: 設計例: 600W ATX PSU
設計例: 600W ATX PSU PC向け高電力、高効率PSU • Vin= 380 V • Vout= 12 V • Iout= 45 + 15A • P = 600W
Slide 30: MPS website design tools
MM MPS | Monolithic Power Systems X = € > CGC — @& monolithicpower.com DC DC Designer Online acc ypress Reference Designs Applicat > DC DC Designer Windows Automotive Xiline Reference Design MPSmart Battery Management Intel-Altera Reference Designs ‘AC DC Design Toot Ventitator Open Source Achronix
Slide 31: 600W ATX プロトタイプ写真
600W ATX プロトタイプ写真 PFC LLC 73nF 210uH EMIフィルタ DC/DC
Slide 32: HYREFTSWELE
HYREFTSWELE mrs
Monolithic Power Systems — Technical Presentation (September 2022) on 6ix