諧振控制器和PFC控制器介紹

　　1. 簡(jiǎn)介

　　現(xiàn)代電子設(shè)備功能越來越多。比如計(jì)算機(jī)性能不斷提升，電視屏幕越來越大。但是，增加設(shè)備功能通常會(huì)帶來高功耗，不利于環(huán)境保護(hù)。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓?fù)渚哂休^高效率，很多大功率消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)都采用了這種電源拓?fù)?，比如：液晶電視、等離子電視和筆記本電腦適配器。恩智浦專業(yè)諧振控制器可以幫助設(shè)計(jì)人員打造出高效的諧振電源。恩智浦除在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。本文介紹了恩智浦最新的諧振控制器產(chǎn)品：TEA1713和TEA1613。這兩款器件采用了相同的新一代半橋諧振控制器，而TEA1713諧振控制器還集成了功率因數(shù)校正(PFC)控制器。

　　2. 半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器

　　2.1 半橋諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜?jiǎn)介

　　圖1：諧振拓?fù)?/p>

　　諧振轉(zhuǎn)換器由直流高壓電源(升壓)供電，直流電源通常由前置PFC轉(zhuǎn)換器部分產(chǎn)生。諧振回路(或LLC回路)由電容器Cr和帶Lr(漏電感)和Lp(勵(lì)磁電感)的變壓器組成，由2個(gè)高壓MOSFET器件驅(qū)動(dòng)。半橋控制器(HBC)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET。電流大小由工作頻率決定。二次側(cè)高頻交流電壓通過整流和濾波獲得直流輸出電壓(Vout)。

　　2.2 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制

　　由于MOSFET器件能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，也稱為零電壓開關(guān)(ZVS)，這就為諧振轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高效工作提供了可能。如果兩個(gè)MOSFET開關(guān)動(dòng)作之間有足夠長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，半橋電壓(HB節(jié)點(diǎn))可以完全上升或下降，MOSFET即能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。通過這種方式可以最大程度降低開關(guān)損耗。

　　在半橋斜坡(上升沿/下降沿)結(jié)束后，一次側(cè)電流會(huì)流過MOSFET內(nèi)較高阻抗的體二極管，直至MOSFET器件打開。因此，死區(qū)時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)造成導(dǎo)通損失。

　　半橋斜坡速度以及死區(qū)時(shí)間取決于頻率、輸出負(fù)載、輸入和輸出電壓。采用固定死區(qū)時(shí)間的控制器，死區(qū)時(shí)間無論是內(nèi)部固定還是外部可配置的，電源設(shè)計(jì)人員難于找到合適的值。

　　恩智浦新一代諧振控制器實(shí)現(xiàn)了真正的逐周期自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制。HBC控制器先進(jìn)的電路可以偵測(cè)到半橋斜坡結(jié)束點(diǎn)，確保在最佳時(shí)機(jī)開通MOSFET，實(shí)現(xiàn)真正的無損切換。參見圖2，最大程度減少體二極管導(dǎo)通時(shí)間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。自適用死區(qū)時(shí)間功能簡(jiǎn)化了諧振電源設(shè)計(jì)，最大程度提高了電源效率。

　　圖2：自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間

　　2.3 諧振轉(zhuǎn)換器優(yōu)化啟動(dòng)

　　2.3.1 軟啟動(dòng)平衡

　　諧振轉(zhuǎn)換器以高頻啟動(dòng)，確保起始電流在安全范圍內(nèi)。隨后開始掃頻，頻率逐步降低，直至達(dá)到正常工作頻率。這一過程即為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)掃描速度是折衷平衡的結(jié)果：

　　· 一方面，軟啟動(dòng)應(yīng)盡可能快，以便迅速達(dá)到設(shè)定的輸出電壓。在很多諧振電源設(shè)計(jì)中，控制器還通過緩沖電容器由諧振變壓器供電。變壓器輸出電壓的速度越快，所需緩沖電容充電量就越小，有利于降低緩沖電容規(guī)格。

　　· 另一方面，軟啟動(dòng)頻率掃描應(yīng)盡可能慢，以避免過大的浪涌電流。浪涌電流幅度取決于輸入電壓、軟啟動(dòng)掃頻速度以及與負(fù)載相關(guān)的輸出電壓上升情況，因此在實(shí)際操作中很難預(yù)測(cè)。電源設(shè)計(jì)人員必須選擇最慢的掃頻速度，以適應(yīng)最大負(fù)載時(shí)的最壞情況。

　　恩智浦諧振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各種啟動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)快速、安全、可控啟動(dòng)。

　　2.3.2 雙速軟啟動(dòng)機(jī)制

　　對(duì)于掃頻的前半部分，由于電流大小受頻率影響不大，雙速軟啟動(dòng)機(jī)制的掃頻速度要比正常掃頻速度快4倍。前半部分快速描頻可以縮短頻率下降過程，減少啟動(dòng)時(shí)間。

　　當(dāng)頻率下降接近工作頻率時(shí)，由于靠近諧振頻率，電流對(duì)頻率變化敏感度提高，電流增速也相應(yīng)提高。減慢后半部分掃頻速度可以控制電流和輸出電壓過沖。

　　2.3.3 感應(yīng)交流電流實(shí)現(xiàn)過流調(diào)整

　　高的浪涌電流會(huì)對(duì)地產(chǎn)生干擾，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二極管的額定電流值。通過過流調(diào)節(jié)(OCR)將電流限制在用戶設(shè)定的安全范圍，可以解決這一問題。

　　OCR可以檢測(cè)出一次側(cè)諧振電流，如果該電流超過用戶設(shè)定的電流值，則增大頻率。利用這一功能，電源設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)典型應(yīng)用條件選擇快速軟啟動(dòng)速度。對(duì)于特殊條件，比如滿載啟動(dòng)，OCR通過減慢掃頻速度可將電流限制在安全范圍。

　　OCR通過雙速軟啟動(dòng)機(jī)制控制來頻率，作為兩種有效手段之一，通過這種方法更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流調(diào)節(jié)。圖3給出了啟動(dòng)期間輸出電壓上升期OCR被激活示例。

　　圖3：?jiǎn)?dòng)電流調(diào)節(jié)[!--empirenews.page--]

　　第二種大幅提升OCR穩(wěn)定性的方法是對(duì)一次交流瞬時(shí)電流值進(jìn)行直接的逐周期檢測(cè)。一般的OCR電路采用檢測(cè)整流和濾器后產(chǎn)生的直流電壓的方法，該直流電壓代表了控制器的平均電流水平。但這種設(shè)計(jì)中的濾波器會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)低頻極點(diǎn)，因此很難建立穩(wěn)定的OCR回路。而對(duì)瞬時(shí)電流進(jìn)行直接的交流檢測(cè)則無需使用整流器和濾波器，這樣既節(jié)約了元器件成本，提高了OCR穩(wěn)定性，又能增加精度，達(dá)到快速過流檢測(cè)和響應(yīng)的目的。

　　2.3.4 縮短高邊第一個(gè)脈沖時(shí)間

　　啟動(dòng)時(shí)按正常開通時(shí)間打開高邊MOSFET，第一個(gè)電流脈沖的幅度會(huì)很高，該峰值電流會(huì)造成干擾。TEA1713和TEA1613控制器把高邊MOSFET的第一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間縮短為只有正常導(dǎo)通時(shí)間的一半，因此原邊電流初始幅度較低，可以快速達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)(圖4)。

　　a. 通常情況下第一次高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)間。

　　b. 縮短高邊導(dǎo)通時(shí)間后有限的峰值電流。

　　圖4：縮短高邊導(dǎo)通時(shí)間后的效果

　　3. 可靠性和安全性

　　提升開關(guān)式電源的可靠性與耐用性是減少返修和控制成本的關(guān)鍵因素。為此，恩智浦在TEA1613和TEA1713產(chǎn)品中增加了多重保護(hù)功能，為客戶帶來了真正完美的電源解決方案。

　　3.1容性模式保護(hù)

　　比較獨(dú)特的保護(hù)功能是恩智浦正在申請(qǐng)專利的逐周期容性模式保護(hù)，它能夠有效避免任何因容性模式對(duì)功率MOSFET可能造成的損害。有了它設(shè)計(jì)人員無須考慮與容性模式開關(guān)相關(guān)的MOSFET的反向恢復(fù)問題。因此，設(shè)計(jì)人員選用MOSFET器件時(shí)可以進(jìn)行成本優(yōu)化，不會(huì)影響整個(gè)電源系統(tǒng)的性能和可靠性。

　　諧振轉(zhuǎn)換器通常工作在感性模式下，其開關(guān)頻率高于諧振頻率，利用功率MOSFET器件的零電壓切換(ZVS)功能實(shí)現(xiàn)電源高效運(yùn)行。對(duì)于輸出短路電流、高脈動(dòng)負(fù)載或市電降壓等特殊情況，諧振回路的諧振頻率短時(shí)間會(huì)高于工作頻率，這將使得諧振回路變成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET關(guān)閉后電流會(huì)持續(xù)流經(jīng)體二極管，半橋節(jié)點(diǎn)(HB)不會(huì)出現(xiàn)電壓變化。此時(shí)打開另一個(gè)MOSFET會(huì)非常危險(xiǎn)，因?yàn)閹w二極管的MOSFET反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流可以瞬時(shí)燒毀器件。TEA1713和TEA1613對(duì)于危險(xiǎn)的容性模式工作提供了三重動(dòng)作保護(hù)。

　　TEA1713和TEA1613自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制是第一重保護(hù)，可以延遲另一個(gè)MOSFET器件打開時(shí)間，直到電流恢復(fù)正常極性。MOSFET會(huì)在半橋斜坡結(jié)束后打開，因此可以確保電流已恢復(fù)正確安全的極性。參見圖5。該功能可以防止MOSFET在體二極管未恢復(fù)時(shí)危險(xiǎn)的開關(guān)動(dòng)作。

　　圖5;容性開關(guān)保護(hù)

　　容性模式發(fā)生后，諧振電流返回正常極性需要半個(gè)諧振周期，斜坡發(fā)生在半橋節(jié)點(diǎn)上。為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)較長(zhǎng)的等待時(shí)間，振蕩器速度減慢直到檢測(cè)到半橋斜坡起點(diǎn)。這是第二重保護(hù)動(dòng)作。

　　第三重保護(hù)動(dòng)作是在容性模式工作期間提高振蕩器頻率。該動(dòng)作可以使轉(zhuǎn)換器返回安全的感性模式。

　　3.2 具有補(bǔ)償升壓電壓的兩級(jí)過流保護(hù)

　　為了防止(短時(shí))在大功率下運(yùn)行導(dǎo)致元器件過熱或者變壓器飽和，恩智浦產(chǎn)品采用了兩級(jí)過流保護(hù)設(shè)計(jì)。

　　第一步：電流較低時(shí)，通過調(diào)節(jié)頻率來限制電流。該過流調(diào)節(jié)(OCR)功能在啟動(dòng)期間同樣可以限制電流。

　　第二步：如果電流增加太快，OCR無法調(diào)節(jié)，比如輸出短路。此時(shí)可采取更為有力的保護(hù)措施——立即將開關(guān)頻率提到最高。這一過程也稱為過流保護(hù)(OCP)。

　　諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(升壓后)通常由PFC產(chǎn)生，非常穩(wěn)定。不過，在啟動(dòng)期間、市電降壓、或者沒有有源PFC的系統(tǒng)中，升壓后的電壓會(huì)比較低。因此，對(duì)于相同輸出功率的諧振轉(zhuǎn)換器，一次側(cè)的電流會(huì)很高。TEA1713和TEA1613具有補(bǔ)償升壓電壓功能，能夠針對(duì)不同輸入電壓水平調(diào)整保護(hù)級(jí)別，因而可以提供更為準(zhǔn)確的輸出過流保護(hù)，增強(qiáng)電源負(fù)載保護(hù)能力，提高電源的使用安全。[!--empirenews.page--]

　　圖6給出了帶升壓電壓補(bǔ)償?shù)腛CR和OCP工作原理圖。與升壓后電壓相關(guān)的電流從諧振控制器電流檢測(cè)引腳流入/流出。利用外部串聯(lián)電阻，設(shè)計(jì)人員可以自由設(shè)定補(bǔ)償量。

　　圖6：OCR和OCP的升壓補(bǔ)償

　　3.3 其他保護(hù)

　　TEA1713和TEA1613通過多重保護(hù)實(shí)現(xiàn)安全可靠的電源設(shè)計(jì)。過壓保護(hù)(OVP輸出)監(jiān)控輸出電壓，保護(hù)負(fù)載。當(dāng)反饋回路出現(xiàn)故障時(shí)，開環(huán)保護(hù)(OLP)動(dòng)作。部分保護(hù)功能通過提高頻率解決故障。如果增大頻率無法解除故障，高頻保護(hù)(HFP)將會(huì)探測(cè)到該故障并重新啟動(dòng)控制器。

　　有些保護(hù)，當(dāng)超過保護(hù)電平時(shí)，可允許系統(tǒng)在有限的時(shí)間內(nèi)工作。針對(duì)短時(shí)超限故障，系統(tǒng)集成了保護(hù)和重啟定時(shí)器。如果超過預(yù)設(shè)時(shí)間后故障仍然存在，則控制器重新啟動(dòng)。定時(shí)器還可以設(shè)定重啟時(shí)間。電源設(shè)計(jì)人員可以通過外部電容器和電阻器自行設(shè)定保護(hù)和重啟時(shí)間。圖7給出了保護(hù)和重啟定時(shí)器的工作原理圖。

　　圖7：保護(hù)和重啟計(jì)時(shí)器

　　4. 打嗝模式

　　有些應(yīng)用，比如電源適配器，對(duì)輕載時(shí)的效率或空載下?lián)p耗有很高要求。打嗝模式是滿足此類要求的好方法。在打嗝模式中，轉(zhuǎn)換器工作較短時(shí)間后會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間無動(dòng)作過程?？s短開關(guān)時(shí)間可以顯著減少開關(guān)和導(dǎo)通損失。

　　TEA1713和TEA1613控制器支持打嗝模式。激活打嗝模式可以控制PFC和HBC的開與關(guān)。對(duì)于HBC，兩個(gè)MOSFET器件均關(guān)閉時(shí)控制器可記住開關(guān)頻率。打嗝模式關(guān)閉后，HBC以相同頻率繼續(xù)執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作。PFC以軟啟動(dòng)開始工作。用外部控制器拉低TEA1713輸出電壓檢測(cè)腳的電平，使HBC或HBC+PFC進(jìn)入打嗝模式關(guān)閉狀態(tài)。這種方法可以讓設(shè)計(jì)人員更靈活地設(shè)計(jì)出更出色的激活打嗝模式的解決方案。

　　打嗝模式可以通過HBC反饋信號(hào)進(jìn)行控制。利用比較器對(duì)比反饋信號(hào)與參考信號(hào)，可以產(chǎn)生打嗝模式開/閉信號(hào)。輸出電壓保持在可控范圍內(nèi)。TEA1613集成了打嗝模式比較器，可以通過外部電阻分壓器設(shè)置優(yōu)化打嗝電壓。

　　打嗝電壓檢測(cè)點(diǎn)與來自PFC(升壓)的HBC輸入電壓很有關(guān)系。對(duì)于使用無源PFC或者直接從市電降壓情況，此電壓會(huì)大幅波動(dòng)，造成反饋電壓大漂移。為了保證打嗝模式正常運(yùn)行，最好要對(duì)打嗝參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償。為此，有時(shí)需要外接電阻連到升壓電壓，但該電阻容易增大功耗。TEA1613集成了升壓電壓補(bǔ)償，與升壓電壓相關(guān)的電流從控制器打嗝檢測(cè)輸入端流出。電源設(shè)計(jì)人員可根據(jù)外部串聯(lián)電阻器值，自由設(shè)定優(yōu)化補(bǔ)償量。

　　圖8：突發(fā)模式

　　5. 控制器電源

　　5.1 靈活的控制器供電電源

　　TEA1713和TEA1613的供電電源來源非常靈活，可以采用變壓器輔助繞組供電、PFC或市電整流后的高壓供電，分立的待機(jī)電源供電，或者HB節(jié)點(diǎn)dV/dt供電。以下幾種功能是實(shí)現(xiàn)TEA1713和TEA1613靈活電源形式的基礎(chǔ)：

　　5.2 高壓?jiǎn)?dòng)電源

　　高壓?jiǎn)?dòng)電源從高壓升壓部分汲取電流，為控制器電源的緩沖電容器進(jìn)行初始充電。當(dāng)控制器電源充電結(jié)束后，半橋轉(zhuǎn)換器開始工作，控制器即可通過變壓器輔助繞組供電。隨后集成的高壓?jiǎn)?dòng)電源關(guān)閉，以減少功耗。這一點(diǎn)與采用外置啟動(dòng)電阻(泄漏電阻)的傳統(tǒng)解決方案相比優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)橥庵秒娮杵鲿?huì)不斷產(chǎn)生功耗。要獲得出色的輕載效率，降低功耗至關(guān)重要。

　　5.3 控制器電源啟動(dòng)電壓的自動(dòng)選擇

　　對(duì)于使用高壓?jiǎn)?dòng)電源的系統(tǒng)，建議控制器電源采用高啟動(dòng)電壓 (22V)。大的電壓差(停止電壓15V)可以使控制器在輔助繞組接管前通過緩沖電容器充電工作。

　　對(duì)于有獨(dú)立待機(jī)電源的系統(tǒng)，可通過待機(jī)電源給控制器供電。由于待機(jī)電源具有連續(xù)穩(wěn)定性，因此可以采用較低的啟動(dòng)電壓(17V)。降低控制器啟動(dòng)電壓可降低功耗。

　　TEA1713和TEA1613通過檢測(cè)高壓可以自動(dòng)選擇合適的啟動(dòng)電壓。

　　5.4 較寬控制器電源工作電壓范圍

　　由于負(fù)載不同，變壓器輔助繞組供電電壓變化很大。TEA1713和TEA1613可承受15-38V電壓波動(dòng)，完全滿足輔助繞組供電要求。內(nèi)部集成串聯(lián)調(diào)壓器可產(chǎn)生穩(wěn)定安全的11V電壓供門極驅(qū)動(dòng)器使用。由于無需外部串聯(lián)調(diào)壓器，可進(jìn)一步降低外部器件使用成本。調(diào)整后穩(wěn)定的電壓可作為外部電路基準(zhǔn)電壓。

　　5.5 輸出欠壓檢測(cè)和重啟計(jì)時(shí)器

　　對(duì)于使用HBC變壓器供電的控制器系統(tǒng)，當(dāng)輸出電壓因過載或短路原因下降時(shí)，由于控制器輸入電壓也會(huì)降低，因此控制器會(huì)自動(dòng)停止工作。如果控制器使用獨(dú)立的待機(jī)電源，則不會(huì)自動(dòng)停止工作。TEA1713和TEA1613集成了欠壓檢測(cè)測(cè)功能，可以對(duì)變壓器輔助繞組輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)。另外，由于集成了重啟定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)同樣的保護(hù)功能。

　　5.6 禁用控制器

　　對(duì)于液晶電視和等離子電視，當(dāng)電視開機(jī)時(shí)諧振電源成為主電源。當(dāng)電視關(guān)閉時(shí)，功耗必須盡可能低。TEA1713和TEA1613都提供了專用使能輸入引腳，可禁用內(nèi)部電源，將控制器的消耗電流控制在最小狀態(tài)?？刂破鞯慕霉δ苁瓜到y(tǒng)無需再用昂貴的機(jī)械式繼電器來關(guān)閉諧振電源。[!--empirenews.page--]

　　6. PFC

　　6.1 PFC拓?fù)浜?jiǎn)介

　　諧振電源通常用于大功率系統(tǒng)。對(duì)于大功率應(yīng)用，一般要降低電源諧波。有源功率因數(shù)校正電路是此類問題的有效解決方案。TEA1713在單一芯片中集成了PFC控制器和諧振控制器。兩種控制器集成后配合更方便，最大程度減少了外部器件數(shù)量(無需連接控制器接口)，為用戶實(shí)現(xiàn)低成本高效的電源解決方案提供了可能。

　　PFC由升壓拓?fù)潆娐窐?gòu)成(圖9)。該拓?fù)湫问娇梢援a(chǎn)生恒定的高壓，作為后續(xù)諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。特殊的內(nèi)置綠色功能可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)功率級(jí)別的高效運(yùn)行，支持大功率輸出。準(zhǔn)諧振非連續(xù)工作模式，帶波谷跳躍和中 功率輸出的準(zhǔn)諧振工作模式和低功率輸出打嗝模式。

　　圖9：PFC拓?fù)?/p>

　　6.2 波谷檢測(cè)

　　PFC工作在臨界導(dǎo)通模式下。最大程度地減少開關(guān)損耗和提高效率，MOSFET在漏極電壓最低時(shí)打開?？刂破骺梢詸z測(cè)漏極電壓和波谷(圖10)。

　　圖10：PFC波谷檢測(cè)

　　6.3 母線電壓補(bǔ)償

　　固定輸出電壓升壓轉(zhuǎn)換器在非連續(xù)導(dǎo)通模式下的主要缺點(diǎn)是其環(huán)路增益依賴于輸入(市電)電壓。為補(bǔ)償環(huán)路增益變化，需要測(cè)量PFC的輸入(市電)電壓。控制器內(nèi)部使用一個(gè)與1/Vmains2成正比的因數(shù)來補(bǔ)償調(diào)節(jié)環(huán)路。圖11顯示了帶/不帶環(huán)路補(bǔ)償條件下負(fù)載變化產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)。

　　c.無市電補(bǔ)償

　　d. 有市電補(bǔ)償

　　圖11：市電補(bǔ)償改善瞬時(shí)響應(yīng)

　　7. 恩智浦的控制器

　　7.1 TEA1713

　　高度集成的恩智浦TEA1713適用于小型低本高效的系統(tǒng)解決方案，由功率因數(shù)校正(PFC)控制器和諧振半橋(HBC)控制器構(gòu)成。該產(chǎn)品采用24針SO封裝形式，通過集成功率因素校正轉(zhuǎn)換器和諧振轉(zhuǎn)換器，為打造功能完備，高效、安全、可靠的電源提供了可能。

　　7.2 TEA1613

　　恩智浦TEA1613為純諧振控制器。如果實(shí)際應(yīng)用不適合采用集成PFC和HBC控制器的TEA1713器件，可以考慮TEA1613。該產(chǎn)品采用20針SO封裝，具有TEA1713所有的HBC和供電功能。此外，TEA1613還集成了打嗝模式檢測(cè)功能，在打嗝模式中，利用輸出信號(hào)可停止外部PFC開關(guān)。