UCC25661x家族LLC控制器：高效电源设计的理想之选

在电源设计领域，LLC（串联谐振）拓扑结构因其高效、高功率密度等优点而被广泛应用。而德州仪器（TI）推出的UCC25661x家族750kHz宽 (V{IN}/V{OUT}) 范围LLC控制器，更是为电源设计带来了全新的解决方案，尤其在轻载效率优化方面表现出色。今天，我们就来深入探讨一下这款控制器。

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一、产品特性亮点

1. 频率范围与控制技术

UCC25661x家族的满载开关频率范围为50kHz至750kHz，能够满足不同功率应用的需求。其采用的输入功率比例控制（IPPC）方案，相比传统的直接频率控制和电荷控制方法，具有显著优势。传统电荷控制中输入电流和开关频率共同决定控制信号，而IPPC大大降低了控制信号对开关频率的依赖性，使控制信号与输入功率成正比，在宽输入输出电压变化下，能保持一致的轻载突发模式和过载性能，同时保留了快速的负载瞬态响应，并改善了线路瞬态性能。

2. 轻载管理优化

该家族控制器在轻载管理方面表现卓越，可有效降低待机功耗并减少可听噪声。采用高频和可听频率脉冲跳过、低频突发模式（UCC256616除外）、集成PFC开/关（UCC256614）以及软进软出突发模式（UCC256610）等技术。例如，通过将突发包频率保持在可听范围以上（> 25kHz）或极低的可听区域（< 400Hz），在提高轻载效率的同时，最大程度减少了可听噪声。

3. 可靠的保护机制

具备多种保护功能，如50ns过流保护（OCP）、逐周期电流限制、过压保护（OVP）、OVP锁存（UCC256611和UCC256616）、内部和外部OTP、输入和VCCP欠压锁定（UVLO）等。其中，零电流开关（ZCS）避免方案可消除电容区域操作，防止MOSFET因体二极管反向恢复而损坏；自适应软启动可减少浪涌电流，并消除启动时的反向恢复。

4. 集成设计与性能优势

内置谐振电容器电压合成器，提高了信号可靠性和高频启动能力；集成栅极驱动，提供+0.6/-1.2A的驱动能力；集成高压启动功能（UCC25661x家族除UCC256613）；支持X电容放电（UCC256610、UCC256611和UCC256614）以及扩展增益范围（UCC256611和UCC256614），这些集成设计不仅简化了电路设计，还提高了系统的整体性能。

二、应用领域广泛

UCC25661x家族适用于多种应用场景，包括但不限于电视的开关电源（SMPS）、工业AC/DC适配器、电动工具、医疗电源、多功能打印机、企业和影院投影仪、PC电源、游戏机电源以及照明等领域。其宽输入输出电压范围和高效的轻载性能，使其成为这些应用中电源设计的理想选择。

三、详细功能解析

1. 输入功率比例控制（IPPC）

IPPC是UCC25661x家族的核心控制技术之一。控制器通过外部由电容 (C{ISNS}) 和电阻 (R{ISNS}) 组成的微分器，测量ISNS引脚的谐振 tank电流。该引脚电压在VCR合成器模块中进行积分，形成内部VCR信号VCRsynth。VCR合成器模块根据BLK引脚电压应用前馈增益，并进行斜坡补偿，生成补偿后的内部VCR信号。该信号与两组阈值进行比较，以控制高端开关关断（(V{TH})）和低端开关关断（(V{TL})）。在软启动期间，(V{TH}) 和 (V_{TL}) 阈值根据内部软启动斜坡生成，以最小化启动期间谐振 tank的浪涌电流。

2. VCR合成器

VCR合成器是UCC25661x家族的另一重要特性。它将谐振 tank电流进行积分，形成谐振电容器电压的内部表示。通过内部实现VCR合成器，控制器能够支持高频启动，同时控制浪涌电流和进行前馈增益调整，并且减少了外部噪声对ISNS引脚的影响，提高了控制器的鲁棒性。VCR合成器的第一阶段为可编程增益阶段，用于实现输入电压前馈功能；第二阶段为带斜坡补偿的可编程积分器，其积分时间常数可通过TSET引脚在启动时进行外部配置。

3. 反馈链（控制输入）

输出电压的控制由位于隔离屏障次级侧的电压调节器电路提供。需求信号通过光耦合器跨隔离屏障传输。在正常运行时，一个恒定电流源 (I{FB}) 连接到FB引脚，通过一个与PMOS串联的电阻 (R{FB}) 连接。当 (IOPTO) 增加时，(RFBInternal) 减小，从而减小FBReplica，实现控制信号的反转。为防止FB引脚电压过低影响系统瞬态响应，采用了FB引脚电压钳位电路，提高了系统从轻载到重载的瞬态性能。

4. 自适应死区时间

UCC25661x家族采用高速、低延迟的压摆率检测模块，优化高端和低端脉冲之间的死区时间。该模块能够检测高达200V/ns的压摆率，防止直通和过多的体二极管导通。在突发模式、ZCS预防操作或压摆率较慢的功率级中，谐振 tank电流极性信号（Ipolarity比较器输出）可用于增强压摆率检测。通过利用LLC的自然对称操作，压摆率检测模块仅确定高端开关关断和低端开关导通之间的死区时间，并将其应用于低端MOSFET关断和高端MOSFET导通之间的死区时间。

5. 输入电压传感

通过BLK引脚进行输入电压传感，可实现多种功能，包括输入电压的欠压和过压检测、输入前馈以及输入电压OVP。控制器提供可编程的欠压和过压阈值，当BLK引脚电压低于 (V_{BLKStop}) 时，控制器进入欠压状态并停止开关；当电压高于欠压恢复电压时，立即开始软启动。此外，当选择AC欠压选项时，BLK引脚可检测HV引脚电压，实现AC输入过零检测。

6. 谐振 tank电流传感

ISNS引脚通过微分器传感谐振 tank电流，除用作过流保护引脚外，还是控制功能的重要组成部分。它为积分器提供输入，用于生成控制电压，实现IPPC控制；还可进行逐周期过流保护、谐振电流极性检测、ZCS预防和死区时间管理，以及避免启动时的反向恢复。

四、保护功能确保系统安全

1. 零电流开关（ZCS）保护

ZCS保护对于LLC转换器至关重要，可避免进入电容区域操作。在电容区域，MOSFET可能因体二极管反向恢复而损坏，且增益与频率关系会反转，导致转换器失去对功率级的调节。UCC25661x家族的ZCS保护方案通过检测ISNS信号，在接近感应/电容边界时提前终止栅极脉冲，确保MOSFET在电流反转之前关断，增加了功率级的可靠性，并通过控制开关时间，实现接近零电压开关（ZVS），减少开关损耗。

2. 软启动期间的最小电流关断

在启动和前几个开关周期内，初级侧MOSFET可能会经历体二极管反向恢复和硬开关。这是由于启动时谐振电容器可能存在直流偏置电压，导致谐振 tank电流不对称。UCC25661x家族通过设置最小关断电流阈值，并采用额外的逻辑来检测谐振电流的正确下降沿，避免错误触发。当检测到ZCS事件时，内部软启动斜坡电压会缓慢降低，迫使开关频率增加，使转换器退出电容区域。

3. 逐周期电流限制和短路保护

该家族控制器的OCP和逐周期电流限制功能对短路提供快速响应（<50ns），有助于限制功率级的峰值应力。当ISNS电压超过 (VISNS_OCP) 时，当前的HO或LO栅极脉冲将被终止。如果在连续7个开关周期（nOCP）内检测到OCP，设备将进入故障状态；在启动期间，如果连续50个开关周期（nOCP_SS）检测到OCP，设备同样进入故障状态。

4. 过载（OLP）保护

IPPC与前馈相结合，使输出功率与内部控制信号FBReplica之间建立了强相关性。当FBReplica超过 (V{FBOLP}) 时，系统开始限制输入功率，OLP计时器开始计数。如果FBReplica在 (T{OLP}) 时间内持续高于 (V_{FBOLP}) ，则检测到OLP故障，系统进入故障重启序列。

5. VCC OVP保护

VCCP引脚的内部电流限制钳位可保护VCCP引脚，并在施加的电压超过推荐的最大电压时钳位栅极驱动输出电压。当通过 (VCC Shunt) 的电流超过 (IVCC _{Clamp }) 时，VCCP引脚电压会进一步升高，超过VCC_OV，此时UCC25661x将进入故障状态，并在1s的故障空闲时间后重试。

五、设备功能模式

1. 启动模式

带HV启动

首次启动时，插入AC电源后，若VCCP电压低于 (VCC Short) ，VCCP引脚以 (I VCC_Charge_Low) 充电；若高于 (VCC Short) ，则以 (I VCC_ChargeHigh) 充电。当VCCP电压高于 (VCCUVLOr) 时，内部LDO调节V5P电压，LL引脚和TSET引脚用于突发模式和内部VCR合成器编程。若HV启动选项启用，TSET引脚输出高电平，防止PFC在VCCP完全建立之前开启。当VCCP高于 (VCC StartSelf) 时，HV充电电流停止，LLC启动过程开始。在正常运行中，若VCCP电压低于 (VCC {StopSwitching }) ，设备将关闭并遵循正常重启序列。

重启时，检测到故障后，UCC25661x家族关闭，在1s空闲时间后重试。若VCCP电压低于 (VCC Short) ，以 (I VCC_Charge_Low) 充电；高于 (VCC Short) ，以 (I VCC_Charge_High) 充电；若高于 (VCC StartSelf) ，则跳过HV启动的第一阶段，V5P建立，LL引脚用于突发模式编程。

不带HV启动

当HV启动禁用时，PFC开/关信号也被禁用。启动序列为：当VCCP电压高于 (VCCUVLOr) 时，V5P建立；LL引脚和TSET引脚用于突发模式和内部VCR积分器编程；当VCC低于 (VCCUVLOT) 时，V5P关闭，系统关闭。

2. 软启动斜坡

UCC25661x家族内部生成软启动斜坡，固定最大软启动时间为25ms，可减少启动时的浪涌电流，同时实现快速的输出电压上升。在启动过渡到调节阶段，新的软启动方案通过比较内部软启动电压（SSRamp）和FBReplica，选择较低的值来控制功率级开关的关断，避免过早终止软启动，实现软启动和闭环调节之间的平滑过渡。

3. 轻载管理

运行模式（突发模式）

UCC25661x家族的突发模式算法通过将突发包频率保持在可听范围之外或极低的可听区域，在提高轻载效率的同时，最大程度减少可听噪声。采用高频（HF）脉冲跳过和低频（LF）突发两种模式。HF突发包包含固定数量的LO和HO脉冲，用于保持突发频率高于可听范围；LF突发包含多个HF突发包和一个LF突发关断期，通过计算HF突发包的数量，将LF突发频率调节在200Hz至400Hz范围内。

模式转换管理

用户可通过LL引脚配置UCC25661x家族进入HF脉冲跳过和LF突发模式的功率水平。根据FBReplica电压与HFBurstEntry和LFBurstEntry阈值的比较，控制器在正常开关、HF脉冲跳过和LF突发模式之间转换。同时，在LF突发模式下，根据FBReplica电压和预设阈值，控制LF突发段的启动和终止。

突发模式阈值编程

通过外部连接在V5P和GNDP之间的电阻分压器，连接到LL引脚进行突发模式阈值编程。根据测量的 (V LLB) 电压和 (V LLA) 与 (V{LLB}) 之间的电压差，可确定控制器进入HF突发和LF突发的FBReplica电压。通过适当编程（(V{L L A}-V_{L L B})），还可禁用突发模式，为系统设计提供了额外的灵活性。

TSET引脚在突发模式中的替代功能

在UCC256614中，TSET引脚可作为PFC开/关逻辑。在LF突发模式下，PFC开/关信号为高电平；控制器退出LF突发模式时，TSET引脚电压为低电平，可用于关闭PFC或调整PFC控制器的突发模式阈值，实现低待机功耗模式。在UCC256610中，TSET引脚在启动后作为输入引脚。通过将TSET引脚拉低至GND，控制器可保持在低频突发模式下运行，实现低可听噪声的待机模式。

软开/关

启用软开/关功能时，LF包中的第一个和最后两个HF包使用较低的开关阈值电压，进一步减少可听噪声。

4. X电容放电

HV引脚用于AC存在检测和X电容放电。每700ms，HV引脚零交叉检测电路启动，通过逐步增加测试电流，检测HV引脚电压是否低于9V阈值。若经过多次测试仍未低于阈值，则启用X电容放电电路360ms，实现X电容的安全放电。

六、应用与实现

1. 典型应用设计

以UCC256611作为控制器的典型半桥LLC应用为例，设计过程包括确定LLC功率级组件值、计算LLC增益范围、选择 (L{n}) 和 (Q{e}) 、确定等效负载电阻、计算谐振 tank组件参数、计算初级和次级侧电流、设计变压器、谐振电感、谐振电容、初级侧MOSFET、整流二极管和输出电容等。同时，还需考虑HV引脚串联电阻、BLK引脚分压器、ISNS引脚微分器、TSET引脚、OVP/OTP引脚和突发模式编程等方面的设计。

2. 电源供应建议

在电源供应方面，VCCP引脚电容器应选择电容值足够高的电容，确保在LF突发操作期间支持VCCP不低于 (VCC {StopSwitching }) 水平，同时考虑陶瓷电容器的直流偏置电压降额。引导电容器（(C{BOOT})）应选择低泄漏、低ESR的陶瓷电容器，根据系统的最大突发关断时间和允许的电压降，计算所需的电容值。V5P引脚应连接一个0.1μF至4.7μF的去耦电容器。

3. 布局指南

在PCB布局方面，应在VCCP引脚连接一个2.2µF的陶瓷电容器，并尽可能靠近VCCP引脚。必要时添加滤波电容器，以滤除偏置绕组波形上的高尖峰。建议将信号接地和电源接地单点连接，电源接地连接到LLC转换器输入大容量电容器的负极端子。将ISNS、BLK、LL、TSET和OVP/OTP引脚的滤波电容器尽可能靠近相应引脚，保持FB走线短，并远离高dv/dt走线。使用薄膜电容器或C0G、NP0陶瓷电容器作为ISNS电容器，以减少失真。同时，要保证必要的高电压间隙和爬电距离，若HV引脚需要2kV HBM ESD额定值，可在HV引脚与接地之间放置一个100pF的电容器。

七、总结

UCC25661x家族LLC控制器凭借其先进的控制技术、高效的轻载管理、可靠的保护功能和广泛的应用适应性，为电源设计工程师提供了一个强大而灵活的解决方案。无论是在设计电视、工业设备、医疗电源还是其他应用的开关电源时，UCC25661x都能帮助工程师实现高效、稳定的电源设计。在实际应用中，工程师需要根据具体需求，合理选择器件参数，优化电路设计和PCB布局，以充分发挥UCC25661x家族控制器的优势。你在使用类似控制器进行电源设计时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。