大屏電視等大功率應(yīng)用的高能效電源設(shè)計

LLC拓撲在200 W-600 W電源應(yīng)用中相當普及，尤其在需要高能效開關(guān)電源的方案。有別于市場上采用傳統(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)動器簡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，可顯著實現(xiàn)輕載和滿載時的高能效及超低待機能耗。
傳統(tǒng)電壓模式LLC的限制
傳統(tǒng)的電壓模式LLC控制器是通過次級穩(wěn)壓器改變壓控振蕩器(VCO)頻率，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。由于沒有直接連接到初級端電流，所以需要添加額外的電路系統(tǒng)以提供過載及短路保護。當輸出產(chǎn)生瞬態(tài)變化(如由空載轉(zhuǎn)至滿載)時，瞬態(tài)響應(yīng)會比較慢。而且，LLC啟動行為受諧振回路的元器件、實際的諧振電容電壓、啟動階段的輸出電壓、啟動大電流電壓和初始導(dǎo)通時間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開關(guān)是不太容易的。當應(yīng)用進入待機模式時，為降低待機能耗，系統(tǒng)會關(guān)閉PFC及LLC，但同時需要系統(tǒng)里有輔助電源來維持MCU及周邊元器件待機時的最低工作條件，增加了系統(tǒng)成本。
電流模式LLC的優(yōu)勢

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。
因此，在動態(tài)負載響應(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；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)兩個版本。如圖2 所示，兩個版本均采用業(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)整進入跳周期模式的負載狀態(tài)，及偵察到FB電壓低于VB_remote_off時進入關(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)，及運用獨立的光耦制REM 引腳而進入關(guān)斷模式。

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

NCP1399如何實現(xiàn)高能效及超低待機能耗
自動調(diào)節(jié)死區(qū)時間(DeadTime, DT)
DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉導(dǎo)通，從而防止過電流對系統(tǒng)的損毀。固定的DT期通常用于使能諧振轉(zhuǎn)換器，但由于勵磁電流隨線性和負載條件變化，采用固定的DT期不能確保最佳的運行條件。NCP1399采用專有方式，當檢測到零電壓開關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換，dV/dt傳感器監(jiān)測HB引腳斜率，并提供邏輯信號，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
由于初級端MOSFET的ZVS和次級端整流器的ZCS(零電流開關(guān))，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可在中度負載和滿載時達到最高能效。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)選值進行比較，當VFB降至低于預(yù)選跳周期水平，IC經(jīng)由專用關(guān)斷序列進入跳周期模式。在這種運行模式下，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入跳周期模式，這運行總是被Mlower驅(qū)動脈沖以導(dǎo)通時間等于Fmax的3/2時(或最后一個Mupper脈沖的3/2)結(jié)束，因此諧振電容電壓保持為Vbulk*1/4 ，從而降低開關(guān)損耗。當FB引腳電壓內(nèi)部增加預(yù)選滯后，IC回到正常運行模式，Mlower的第一個脈沖被延長，對自舉(bootstrap)電容進行再充電，并激勵諧振回路以準備ZVS條件用于后續(xù)的Mupper導(dǎo)通進程，接下來的Mlower脈沖基于導(dǎo)通時間CMP信號而被延長。

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)測來完成。PFC預(yù)設(shè)的計時器(Timer)用來克服瞬態(tài)期間的問題，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 專有的控制提供強固的保護
1.專有啟動序列
在諧振開關(guān)電源應(yīng)用中可能會出現(xiàn)硬開關(guān)啟動。NCP1399 使用特定啟動方案，確保在
任何啟動條件下的穩(wěn)固的、無硬開關(guān)的啟動。NCP1399使用軟啟動計數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)數(shù)字非線性軟啟動序列。
2.過載保護
過載保護通過FB引腳電壓檢測實現(xiàn)。導(dǎo)通時間比較器定義了比較值以控制導(dǎo)通時間。
當使用NCP1399發(fā)生次級短路時，F(xiàn)B引腳電壓上升，當FB引腳電壓達到最大值時，故障計時器/計數(shù)器啟動，控制器禁用驅(qū)動脈沖并進入保護模式。
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、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偏置和斜率補償增益、提供CS LEB 、跳周期模式的內(nèi)外閾值、故障計時器/計數(shù)器及其持續(xù)時間—包括自動恢復(fù)計時器、累積或非累積選擇、OTP/OVP 閂鎖或自動恢復(fù)選擇、BO 選擇 (IBO, VBO, 跳周期期間功能)、最大導(dǎo)通時間故障檢測 (導(dǎo)通時間和閂鎖/自動恢復(fù))、啟動序列的第1個Mupper和Mlower脈沖寬度、軟啟動增量影響軟啟動持續(xù)時間、P ON/OFF功能的激活和滯后以及計時器功能等，可在不同應(yīng)用中根據(jù)具體情況將參數(shù)進行適當調(diào)整和優(yōu)化，提供了設(shè)計靈活性并加快產(chǎn)品上市。
評估板能效測試
下圖顯示，當輸入電壓為110 V和230 V，輸出電流在0-20 A范圍內(nèi)時，NCP1399的能效高達90%以上。

結(jié)語
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，具有更瞬速的動態(tài)反應(yīng)，提供更高的輕載及平均能效，并且無需輔助電源就能實現(xiàn)待機模式的超低待機能耗，從而降低成本，它采用可靠的開機啟動模式，并集成過載保護、過流保護以避免硬開關(guān)，以及欠壓檢測、開路光耦檢測、自動DT調(diào)節(jié)、過壓保護和過溫保護等一系列保護特性，保證系統(tǒng)可靠性。設(shè)計師還可利用NCP1399 內(nèi)置的可編程功能，根據(jù)具體應(yīng)用對參數(shù)進行調(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)計出高能效、超低待機能耗的電源系統(tǒng)。