基于安森美半導(dǎo)體的NCP1399設(shè)計(jì)大屏電視等大功率應(yīng)用的高能效電源

LLC拓?fù)湓?00 W-600 W電源應(yīng)用中相當(dāng)普及，尤其在需要高能效開(kāi)關(guān)電源的方案。有別于市場(chǎng)上采用傳統(tǒng)電壓控制工作模式的`LLC方案，安森美半導(dǎo)體的NCP1399是業(yè)界首款采用電流控制模式的LLC AC-DC控制IC。該器件應(yīng)用600 V門極驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化布局并減少外部元件數(shù)，采用跳周期模式提升輕載能效，并集成一系列保護(hù)特性以提升系統(tǒng)可靠性，用于大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫(yī)療等大功率電源系統(tǒng)應(yīng)用，可顯著實(shí)現(xiàn)輕載和滿載時(shí)的高能效及超低待機(jī)能耗。

傳統(tǒng)電壓模式LLC的限制

傳統(tǒng)的電壓模式LLC控制器是通過(guò)次級(jí)穩(wěn)壓器改變壓控振蕩器(VCO)頻率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。由于沒(méi)有直接連接到初級(jí)端電流，所以需要添加額外的電路系統(tǒng)以提供過(guò)載及短路保護(hù)。當(dāng)輸出產(chǎn)生瞬態(tài)變化(如由空載轉(zhuǎn)至滿載) 時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)比較慢。而且，LLC啟動(dòng)行為受諧振回路的元器件、實(shí)際的諧振電容電壓、啟動(dòng)階段的輸出電壓、啟動(dòng)大電流電壓和初始導(dǎo)通時(shí)間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開(kāi)關(guān)是不太容易的。當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，為降低待機(jī)能耗，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉PFC及LLC，但同時(shí)需要系統(tǒng)里有輔助電源來(lái)維持MCU及周邊元器件待機(jī)時(shí)的最低工作條件，增加了系統(tǒng)成本。

電流模式LLC的優(yōu)勢(shì)

相同條件下，電流模式LLC可提供比傳統(tǒng)電壓模式LLC高得多的 fo，從這波特圖可以看出。

圖1. 波特圖

因此，在動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)方面，電流模式LLC比電壓模式LLC提供更低壓降、更低過(guò)沖(overshoot)和更快穩(wěn)定響應(yīng);在線形紋波抑制方面，電流模式LLC 控制抑制線性紋波比VCO LLC好5倍，其與Vbulk有關(guān)的Vout 紋波甚至可以忽 略不計(jì);在線形瞬態(tài)方面，電流模式LLC控制提供較 VCO LLC控制小10倍的過(guò)沖和小10倍的壓降。

NCP1399 應(yīng)用原理及電流模式控制算法

NCP1399有Active OFF 關(guān)斷模式 (NCP1399Ax) 和Active ON關(guān)斷模式 (NCP1399Bx)兩個(gè)版本。如圖2 所示，兩個(gè)版本均采用業(yè)界首款6引腳PFC控制器NCP1602，與NCP1399配合成為完整的LLC方案。PFC運(yùn)行由NCP1399經(jīng)由VCC控制，PFC FB和 LLC BO 的電阻分壓是共享的，這共享也是可關(guān)斷的。NCP1399Ax采用”Skip”引腳調(diào)整進(jìn)入跳周期模式的負(fù)載狀態(tài)，及偵察到FB電壓低于VB_remote_off時(shí)進(jìn)入關(guān)斷模式;NCP1399Bx則采用內(nèi)部設(shè)定的“跳周期模式”閾值電平 (IC內(nèi)部可編程)，及運(yùn)用獨(dú)立的光耦制REM 引腳而進(jìn)入關(guān)斷模式。

圖2. NCP1399典型應(yīng)用原理圖(上：A版本;下：B版本)

由于諧振電容集成初級(jí)電流(Iprimary)，所以Vcs電壓與初級(jí)電流成正比，而在關(guān)斷期間，Vcs電壓有正或負(fù)斜率，再者，關(guān)斷時(shí)的Vcs電壓幾乎是線性地依賴于負(fù)載電流，而Vcs關(guān)斷電壓曲線隨Vbulk變化，故可通過(guò)Vcs與初級(jí)電流的關(guān)系以及Vcs分壓實(shí)現(xiàn)電流模式LLC控制。具體控制算法為：1)通過(guò)Vcs分壓信號(hào)取得正諧振電容斜率;2)偏移加至Vcs分壓信號(hào)，以避免輕載時(shí)光耦飽和;3)根據(jù)FB引腳電壓和Vcs電壓斜率(反映通過(guò)初級(jí)電流的線路和負(fù)載條件)通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)Mupper導(dǎo)通時(shí)間;4)然后同樣的導(dǎo)通時(shí)間被復(fù)制用于Mlower MOSFET，確保完美對(duì)稱的直流。

圖3. 電流模式控制原理

NCP1399如何實(shí)現(xiàn)高能效及超低待機(jī)能耗

自動(dòng)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間(DeadTime, DT)

DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉導(dǎo)通，從而防止過(guò)電流對(duì)系統(tǒng)的損毀。固定的DT期通常用于使能諧振轉(zhuǎn)換器，但由于勵(lì)磁電流隨線性和負(fù)載條件變化，采用固定的DT期不能確保最佳的運(yùn)行條件。NCP1399采用專有方式，當(dāng)檢測(cè)到零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換，dV/dt傳感器監(jiān)測(cè)HB引腳斜率，并提供邏輯信號(hào)，從而根據(jù)諧振回路參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)DT。

跳周期模式

由于初級(jí)端MOSFET的ZVS和次級(jí)端整流器的ZCS(零電流開(kāi)關(guān))，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可在中度負(fù)載和滿載時(shí)達(dá)到最高能效。但在輕載和空載條件下，如果采用普通的頻率調(diào)制控制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不小的能耗。NCP1399采用專有的跳周期模式技術(shù)，盡可能地提升輕載能效并降低噪聲。它基于FB引腳電壓電平執(zhí)行跳周期模式，跳周期比較器將FB引腳電壓和預(yù)選值進(jìn)行比較，當(dāng)VFB降至低于預(yù)選跳周期水平，IC經(jīng)由專用關(guān)斷序列進(jìn)入跳周期模式。在這種運(yùn)行模式下，IC功耗降低，PFC段及使用PFC模式引腳的BO/PFC FB高壓分壓器可被禁用，由于NCP1399總是以特定的方式進(jìn)入跳周期模式，這運(yùn)行總是被Mlower驅(qū)動(dòng)脈沖以導(dǎo)通時(shí)間等于Fmax的3/2時(shí)(或最后一個(gè)Mupper脈沖的3/2)結(jié)束，因此諧振電容電壓保持為Vbulk*1/4 ，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)FB引腳電壓內(nèi)部增加預(yù)選滯后，IC回到正常運(yùn)行模式，Mlower的第一個(gè)脈沖被延長(zhǎng)，對(duì)自舉(bootstrap)電容進(jìn)行再充電，并激勵(lì)諧振回路以準(zhǔn)備ZVS條件用于后續(xù)的Mupper導(dǎo)通進(jìn)程，接下來(lái)的Mlower脈沖基于導(dǎo)通時(shí)間CMP信號(hào)而被延長(zhǎng)。

圖4. 進(jìn)入跳周期模式及從跳周期模式回到正常模式

PFC導(dǎo)通/關(guān)斷功能

PFC 導(dǎo)通/關(guān)斷功能基于FB引腳電壓監(jiān)測(cè)來(lái)完成 。PFC預(yù)設(shè)的計(jì)時(shí)器(Timer)用來(lái)克服瞬態(tài)期間的問(wèn)題，三態(tài)輸出控制PFC FB/LLC Brown-Out (BO)分壓器和PFC VCC。這PFC導(dǎo)通/關(guān)斷功能在跳周期模式可降低輕載能耗。

NCP1399 專有的控制提供強(qiáng)固的保護(hù)

1. 專有啟動(dòng)序列

在諧振開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)啟動(dòng)。NCP1399 使用特定啟動(dòng)方案，確保在

任何啟動(dòng)條件下的穩(wěn)固的、無(wú)硬開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)。NCP1399使用軟啟動(dòng)計(jì)數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字非線性軟啟動(dòng)序列。

2. 過(guò)載保護(hù)

過(guò)載保護(hù)通過(guò)FB引腳電壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通時(shí)間比較器定義了比較值以控制導(dǎo)通時(shí)間。

當(dāng)使用NCP1399發(fā)生次級(jí)短路時(shí)，F(xiàn)B引腳電壓上升，當(dāng)FB引腳電壓達(dá)到最大值時(shí)，故障計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，控制器禁用驅(qū)動(dòng)脈沖并進(jìn)入保護(hù)模式。

3. 內(nèi)置可編程功能

NCP1399 內(nèi)置許多可編程功能，包括：空載期鉗位和故障選項(xiàng)、TSD閾值、使用可調(diào)

節(jié)的閾值選擇Remote和關(guān)斷模式、VCC導(dǎo)通/關(guān)斷閾值、CS偏置和斜率補(bǔ)償增益、提供CS LEB 、跳周期模式的內(nèi)外閾值、故障計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器及其持續(xù)時(shí)間—包括自動(dòng)恢復(fù)計(jì)時(shí)器、累積或非累積選擇、OTP/OVP 閂鎖或自動(dòng)恢復(fù)選擇、BO 選擇 (IBO, VBO, 跳周期期間功能)、最大導(dǎo)通時(shí)間故障檢測(cè) (導(dǎo)通時(shí)間和閂鎖/自動(dòng)恢復(fù))、啟動(dòng)序列的第1個(gè)Mupper和Mlower脈沖寬度、軟啟動(dòng)增量影響軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間、P ON/OFF功能的激活和滯后以及計(jì)時(shí)器功能等，可在不同應(yīng)用中根據(jù)具體情況將參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，提供了設(shè)計(jì)靈活性并加快產(chǎn)品上市。

評(píng)估板能效測(cè)試

下圖顯示，當(dāng)輸入電壓為110 V和230 V，輸出電流在0-20 A范圍內(nèi)時(shí)，NCP1399的能效高達(dá)90%以上。

圖5. 評(píng)估板能效測(cè)試圖

結(jié)語(yǔ)

安森美半導(dǎo)體推出的LLC AC-DC控制器NCP1399采用電流模式控制，突破電壓模式控制的諸多限制，具有更瞬速的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，提供更高的輕載及平均能效，并且無(wú)需輔助電源就能實(shí)現(xiàn)待機(jī)模式的超低待機(jī)能耗，從而降低成本，它采用可靠的開(kāi)機(jī)啟動(dòng)模式，并集成過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以避免硬開(kāi)關(guān)，以及欠壓檢測(cè)、開(kāi)路光耦檢測(cè)、自動(dòng)DT調(diào)節(jié)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等一系列保護(hù)特性，保證系統(tǒng)可靠性。設(shè)計(jì)師還可利用NCP1399 內(nèi)置的可編程功能，根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，為大屏電視、一體化電腦等大功率應(yīng)用設(shè)計(jì)出高能效、超低待機(jī)能耗的電源系統(tǒng)。