【導讀】在200到600W的電源應用中，LLC拓撲相當普及，特別是在高能效開關電源的設計方案中。本次設計方案采用電流控制模式的LLCAC-DC控制IC，能夠簡化電路布局，減少外部元件數(shù)量，跳周期的模式提升了輕載能效，提升了系統(tǒng)的可靠性，在一體化電腦、大屏幕電視等大功率電源系統(tǒng)應用中，能夠?qū)崿F(xiàn)超低待機功耗，以及輕載和滿載。
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通時間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開關是不太容易的。當應用進入待機模式時，為降低待機能耗，系統(tǒng)會關閉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。
圖1.波特圖
因此，在動態(tài)負載響應方面，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；在線形紋波抑制方面，電流模式LLC控制抑制線性紋波比VCOLLC好5倍，其與Vbulk有關的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VCOLLC控制小10倍的過沖和小10倍的壓降。
NCP1399應用原理及電流模式控制算法
NCP1399有ActiveOFF關斷模式(NCP1399Ax)和ActiveON關斷模式(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，PFCFB和LLCBO的電阻分壓是共享的，這共享也是可關斷的。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時進入關斷模式；NCP1399Bx則采用內(nèi)部設定的“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引腳而進入關斷模式。
圖2.NCP1399典型應用原理圖(上：A版本；下：B版本)
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，而在關斷期間，Vcs電壓有正或負斜率，再者，關斷時的Vcs電壓幾乎是線性地依賴于負載電流，而Vcs關斷電壓曲線隨Vbulk變化，故可通過Vcs與初級電流的關系以及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導通時間；4)然后同樣的導通時間被復制用于MlowerMOSFET，確保完美對稱的直流。
圖3.電流模式控制原理
[page]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(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)，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引腳電壓和預選值進行比較，當VFB降至低于預選跳周期水平，IC經(jīng)由專用關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/PFCFB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，從而降低開關損耗。當FB引腳電壓內(nèi)部增加預選滯后，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導通進程，接下來的Mlower脈沖基于導通時間CMP信號而被延長。
圖4.進入跳周期模式及從跳周期模式回到正常模式
PFC導通/關斷功能
PFC導通/關斷功能基于FB引腳電壓監(jiān)測來完成。PFC預設的計時器(Timer)用來克服瞬態(tài)期間的問題，三態(tài)輸出控制PFCFB/LLCBrown-Out(BO)分壓器和PFCVCC。這PFC導通/關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
在諧振開關電源應用中可能會出現(xiàn)硬開關啟動。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)。導通時間比較器定義了比較值以控制導通時間。
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和關斷模式、VCC導通/關斷閾值、CS偏置和斜率補償增益、提供CSLEB、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—包括自動恢復計時器、累積或非累積選擇、OTP/OVP閂鎖或自動恢復選擇、BO選擇(IBO,VBO,跳周期期間功能)、最大導通時間故障檢測(導通時間和閂鎖/自動恢復)、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、PON/OFF功能的激活和滯后以及計時器功能等，可在不同應用中根據(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110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內(nèi)時，NCP1399的能效高達90%以上。
圖5.評估板能效測試圖
結(jié)語
安森美半導體推出的LLCAC-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，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，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。設計師還可利用NCP1399內(nèi)置的可編程功能，根據(jù)具體應用對參數(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用設計出高能效、超低待機能耗的電源系統(tǒng)。
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