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大功率應(yīng)用該如何設(shè)計(jì)高能效電源?接招吧!

發(fā)布時(shí)間:2015-10-12 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】在200到600W的電源應(yīng)用中,LLC拓?fù)湎喈?dāng)普及,特別是在高能效開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案中。本次設(shè)計(jì)方案采用電流控制模式的LLCAC-DC控制IC,能夠簡(jiǎn)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(yīng)用中,能夠?qū)崿F(xiàn)超低待機(jī)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(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。

大功率應(yīng)用該如何設(shè)計(jì)高能效電源?接招吧!
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VCOLLC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VCOLLC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ActiveOFF關(guān)斷模式(NCP1399Ax)和ActiveON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,PFCFB和LLCBO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。

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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(反映通過初級(jí)電流的線路和負(fù)載條件)通過系統(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MlowerMOSFET,確保完美對(duì)稱的直流。

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圖3.電流模式控制原理
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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/PFCFB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,接下來的Mlower脈沖基于導(dǎo)通時(shí)間CMP信號(hào)而被延長(zhǎng)。

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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)來完成。PFC預(yù)設(shè)的計(jì)時(shí)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(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

在諧振開關(guān)電源應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)硬開關(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、無硬開關(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.過載保護(hù)

過載保護(hù)通過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CSLEB、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、PON/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110V和230V,輸出電流在0-20A范圍內(nèi)時(shí),NCP1399的能效高達(dá)90%以上。

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圖5.評(píng)估板能效測(cè)試圖

結(jié)語

安森美半導(dǎo)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(dòng)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(shí)現(xiàn)待機(jī)模式的超低待機(jī)能耗,從而降低成本,它采用可靠的開機(jī)啟動(dòng)模式,并集成過載保護(hù)、過流保護(hù)以避免硬開關(guān),以及欠壓檢測(cè)、開路光耦檢測(cè)、自動(dòng)DT調(diào)節(jié)、過壓保護(hù)和過溫保護(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)。

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