FAN7688 LLC谐振评估板：设计与性能深度剖析

在电子电源设计领域，LLC谐振变换器凭借其高效、高功率密度等优势，成为众多工程师的首选方案。Fairchild的FAN7688 LLC谐振控制器及其评估板FEBFAN7688_I00250A，为工程师提供了一个理想的测试和开发平台。本文将深入剖析该评估板的设计特点、性能指标以及测试结果，希望能为电子工程师们在电源设计过程中提供有价值的参考。

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一、FAN7688控制器概述

1.1 基本描述

FAN7688是一款二次侧LLC谐振脉冲频率调制（PFM）控制器，具备专用的同步整流（SR）栅极驱动功能，为隔离式DC/DC转换器提供了卓越的效率。它通过感测和积分初级谐振电流，采用一种称为电荷控制的峰值电流模式控制方法，将积分后的谐振电流与内部振荡器产生的三角波相结合，确定开关频率，从而优化了功率级的控制到输出传递函数，简化了反馈回路设计，并实现了真正的输入功率限制能力。

1.2 内部结构

FAN7688的内部集成了多个功能模块，如死区时间控制块、数字PFM/PWM块、自适应SR控制块等。这些模块协同工作，确保了控制器在不同负载和输入条件下的稳定运行。例如，双边缘跟踪自适应SR驱动技术能够最小化SR MOSFET的体二极管导通时间，从而提高整体效率。

1.3 控制器特性

• 二次侧控制优势：相较于初级侧控制，二次侧控制能够直接感测SR漏极电压，实现更精确的SR时序优化和更高的可靠性。同时，直接感测输出电压使得控制器能够实现精确的闭环软启动、直接与负载接口，并在启动时提供输出短路过载保护。
• 混合控制模式：FAN7688采用混合控制方案，根据线路或负载条件（COMP电压），可以在固定频率PWM模式和传统PFM模式之间无缝切换。在轻载和启动时，PFM模式命令最高开关频率；而在轻载时，采用固定频率PWM模式可以减少高频开关损耗，提高轻载效率。
• 轻载效率优化：通过ICS引脚可编程的SR_SKIP功能，在特定的最小负载点禁用SR开关，进一步提高轻载效率。当积分电流感测的峰值小于SR_SKIP启用阈值时，SR开关将被禁用，负载电流将通过SR体二极管或并联的肖特基整流器流动。
• 全面的保护功能：FAN7688具备一系列自动重启保护功能，包括逐脉冲过流保护（OCP）、输出短路保护（OSP）、非零电压开关保护（NZP）、过载保护（OLP）和过温保护（OTP）。通过FMIN引脚可以编程设置最小频率，避免变换器进入电容区域运行，从而防止ZVS丢失、直流增益反转和体二极管反向恢复等问题。

二、评估板概述

2.1 硬件设计

FEBFAN7688_I00250A评估板采用四层印刷电路板（PCB）设计，尺寸为163 mm x 89 mm x 25 mm，额定功率为250 W（12.5 V / 20 A），最大功率限制设置为375 W。该评估板是一个DC/DC转换器，输入电压为400 V，典型的离线PFC升压转换器输出电压，输出电压稳定在12.5 V。评估板包含一个输入大容量电容器C1，但在使用PFC输出时，C1可省略。此外，评估板还需要一个外部12 V偏置电源电压。

2.2 测试点设计

评估板提供了丰富的测试点，方便工程师进行各种信号的测量和调试。例如，通过移除R4和R5并焊接电流环，可以测量初级谐振电流和次级交流电流；通过J5 - J36等测试点，可以监测MOSFET的栅极驱动信号、FAN7688的各个引脚信号等。这些测试点的设计使得工程师能够深入了解FAN7688的工作原理和评估板的性能。

三、评估板规格参数

评估板的设计和优化考虑了多个参数，包括输入电压范围（300 V - 450 V DC）、输出电压（12.4 V - 12.6 V DC）、输出电流（0 A - 20 A）、谐振频率（105 kHz）、PWM频率（250 kHz）等。此外，还给出了不同负载条件下的效率、启动时间、保持时间等性能指标。这些参数为工程师在设计和评估电源系统时提供了重要的参考依据。

四、测试流程

4.1 安全注意事项

由于评估板工作在高电压DC电源下，输入大容量电容器存储了大量电荷，因此在测试过程中必须严格遵守安全操作规程。例如，在测试前确保工作表面清洁，无导电材料；在DC电源电压存在时，切勿在评估板上进行探测或移动探头；在断开测试引线前，确保输入和输出电容器完全放电。

4.2 上电和断电流程

上电流程包括连接电子负载、数字电压表、电阻分流器、电源等设备，并按照特定的顺序开启电源和负载。断电流程则需要确保电子负载处于开启状态并设置为至少5 A的恒定电流，然后依次断开400 V DC电源、12 V偏置电源和电子负载，最后验证输出电压和输入电压是否为0 V。严格按照这些流程操作可以确保测试的安全性和准确性。

五、变压器规格

5.1 LLC功率变压器

评估板采用了Wurth Elektronik的760895731 LLC变压器，该变压器采用分体式骨架，将谐振电感（漏电感）和磁化电感集成到一个磁性元件中。其核心参数包括ETD44磁芯、16引脚TH骨架、475 μH的磁化电感（±10%）和100 μH的漏电感（±10%）。

5.2 电流感测变压器

电流感测变压器采用了Renco Electronics的RL - 10950，这是一款定制设计的变压器，具有2500 V的初级到次级隔离，适用于FAN7688这种二次侧控制器的应用。其核心参数包括EP7磁芯、16引脚TH骨架、2.75 mH的磁化电感（+40% / -20%）和1:50的匝数比。

六、测试数据

6.1 启动性能

在400 V DC输入下，评估板在满载和最小负载条件下均能实现单调软启动，启动时间分别为53 ms和55 ms。启动过程中，初级漏极电流无过冲现象，频率从初始的224 kHz（PWM模式）平滑过渡到稳态频率105 kHz（PFM模式）。

6.2 保持时间

在满载情况下，从输入电压移除到输出电压失去调节的保持时间为77 ms。在输入电压下降过程中，变换器的工作从谐振以上过渡到谐振以下，FAN7688的ICS电压阈值相应地从1.2 V（谐振以上）转移到1.45 V（谐振以下），从而增加了可用的保持时间。

6.3 稳态运行

在不同的输入电压和负载条件下，评估板的开关频率会发生相应的变化。在PWM突发模式下，开关频率为240 kHz；在谐振时，开关频率为105 kHz；在谐振以下和以上时，开关频率分别为80 kHz和136 kHz。在负载电流从250 mA到5 A的阶跃变化时，评估板能够平滑地从PWM突发模式过渡到PFM模式。

6.4 零电压开关（ZVS）

在传统PWM模式下，ZVS在两个边缘都会丢失。但FAN7688独特的突发模式PWM模式允许部分ZVS（仅关断）。在PFM模式下，从400 V DC输入、1 A - 20 A负载范围内，评估板能够实现全ZVS，并且在300 V DC输入时也能完全保留ZVS。

6.5 SR性能

在负载阶跃变化时，评估板的SR能够平滑地从SHRINK模式过渡到全SR ENABLE模式。在0 A到20 A的电流负载阶跃中，输出电压偏差约为50 mV；在20 A到0 A的电流负载阶跃中，输出电压偏差小于50 mV。

6.6 PRDT和SRDT时序

通过选择合适的电阻R28（43.2 kΩ）和电容C23（470 pF），可以设置PRDT（350 ns）和SRDT（225 ns）。在PFM和PWM模式下，实际测量的死区时间与预期值相符，并且在PWM模式下存在“死区时间加倍”功能，以保留轻载PWM操作期间的“部分ZVS”。

6.7 保护功能

评估板具备多种保护功能，包括过载保护（OLP）、输出短路保护（OSP）、过流保护（OCP）等。当满足相应的触发条件时，保护功能能够及时启动，确保评估板的安全运行。

6.8 效率

在400 V DC输入下，评估板的峰值效率为97%，在50 W - 250 W的负载范围内效率大于95%。评估板在20%最大负载功率点附近进行了优化，SR在10%负载时以SHRINK模式启用，在30%负载时完全启用。

6.9 输出电压负载调节

在400 V DC输入下，输出电压在不同负载条件下的调节率为0.25%，表明评估板具有良好的输出电压稳定性。

6.10 控制到输出测量

通过测量控制到输出的波特图，得到了不同负载和输入条件下的相位裕度、增益裕度和带宽。这些参数为工程师设计反馈控制回路提供了重要的参考。

6.11 热成像

热成像结果显示，在满载和不同输入电压条件下，评估板的最高温度出现在LLC变压器的次级绕组和R5（用于插入电流环测量交流输出电流的0 Ω跳线）。在接近或超过20 A负载长时间使用时，需要使用风扇进行散热。

七、总结

Fairchild的FAN7688 LLC谐振评估板FEBFAN7688_I00250A为工程师提供了一个全面的测试和开发平台，展示了FAN7688控制器的卓越性能和丰富功能。通过对评估板的详细测试和分析，我们可以看到它在启动性能、稳态运行、效率、保护功能等方面都表现出色。同时，评估板的设计也考虑了工程师在实际应用中的需求，提供了丰富的测试点和易于操作的接口。对于从事电源设计的工程师来说，这款评估板是一个值得深入研究和应用的工具。

你在使用类似评估板进行电源设计时，是否也遇到过一些挑战？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。