大功率应用的高能效电源设计方案 - 全文

　　本文介绍一种大屏电视等大功率应用的高能效电源设计方案。它能突破电压模式控制的诸多限制，具有更瞬速的动态反应，可显著实现轻载和满载时的高能效及超低待机能耗。

　　LLC拓扑在200W-600W电源应用中相当普及，尤其在需要高能效开关电源的方案。有别于市场上采用传统电压控制工作模式的LLC方案，安森美半导体的NCP1399是首款采用电流控制模式的LLC AC-DC控制IC。该器件应用600 V门极驱动器简化布局并减少外部元件数，采用跳周期模式提升轻载能效，并集成一系列保护特性以提升系统可靠性，用于大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗等大功率电源系统应用，可显著实现轻载和满载时的高能效及超低待机能耗。

　　传统电压模式LLC的限制

　　传统的电压模式LLC控制器是通过次级稳压器改变压控振荡器（VCO）频率，从而实现稳压。由于没有直接连接到初级端电流，所以需要添加额外的电路系统以提供过载及短路保护。当输出产生瞬态变化（如由空载转至满载） 时，瞬态响应会比较慢。而且，LLC启动行为受谐振回路的元器件、实际的谐振电容电压、启动阶段的输出电压、启动大电流电压和初始导通时间等初始条件影响，在所有条件下避免硬开关是不太容易的。当应用进入待机模式时，为降低待机能耗，系统会关闭PFC及LLC，但同时需要系统里有辅助电源来维持MCU及周边元器件待机时的最低工作条件，增加了系统成本。

　　电流模式LLC的优势

　　相同条件下，电流模式LLC可提供比传统电压模式LLC高得多的 fo，从这波特图可以看出。

　　

　　图1：波特图

　　因此，在动态负载响应方面，电流模式LLC比电压模式LLC提供更低压降、更低过冲（overshoot）和更快稳定响应；在线形纹波抑制方面，电流模式 LLC 控制抑制线性纹波比VCO LLC好5倍，其与Vbulk有关的Vout 纹波甚至可以忽 略不计；在线形瞬态方面，电流模式LLC控制提供较 VCO LLC控制小10倍的过冲和小10倍的压降。

　　NCP1399应用原理及电流模式控制算法

　　NCP1399有Active OFF关断模式（NCP1399Ax）和Active ON关断模式（NCP1399Bx）两个版本。如图2所示，两个版本均采用业界首款6引脚PFC控制器NCP1602，与NCP1399配合成为完整的 LLC方案。PFC运行由NCP1399经由VCC控制，PFC FB和 LLC BO 的电阻分压是共享的，这共享也是可关断的。NCP1399Ax采用”Skip”引脚调整进入跳周期模式的负载状态，及侦察到FB电压低于 VB_remote_off时进入关断模式；NCP1399Bx则采用內部设定的“跳周期模式”阈值电平 （IC内部可编程），及运用独立的光耦制REM 引脚而进入关断模式。

　　

　　图2：“NCP1399典型应用原理图（上：A版本；下：B版本）

　　由于谐振电容集成初级电流（Iprimary），所以Vcs电压与初级电流成正比，而在关断期间，Vcs电压有正或负斜率，再者，关断时的Vcs电压几乎是线性地依赖于负载电流，而Vcs关断电压曲线随Vbulk变化，故可通过Vcs与初级电流的关系以及Vcs分压实现电流模式LLC控制。具体控制算法为：1）通过Vcs分压信号取得正谐振电容斜率；2）偏移加至Vcs分压信号，以避免轻载时光耦饱和；3）根据FB引脚电压和Vcs电压斜率（反映通过初级电流的线路和负载条件）通过系统自动调节Mupper导通时间；4）然后同样的导通时间被复制用于Mlower MOSFET，确保完美对称的直流。

　　

　　图3：电流模式控制原理

　　NCP1399如何实现高能效及超低待机能耗

　　自动调节死区时间（DeadTime， DT）

　　DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉导通，从而防止过电流对系统的损毁。固定的DT期通常用于使能谐振转换器，但由于励磁电流随线性和负载条件变化，采用固定的DT期不能确保最佳的运行条件。NCP1399采用专有方式，当检测到零电压开关（ZVS）转换，dV/dt传感器监测HB引脚斜率，并提供逻辑信号，从而根据谐振回路参数优化调节DT。

　　跳周期模式

　　由于初级端MOSFET的ZVS和次级端整流器的ZCS（零电流开关），LLC谐振转换器可在中度负载和满载时达到最高能效。但在轻载和空载条件下，如果采用普通的频率调制控制技术会产生不小的能耗。NCP1399采用专有的跳周期模式技术，尽可能地提升轻载能效并降低噪声。它基于FB引脚电压电平执行跳周期模式，跳周期比较器将FB引脚电压和预选值进行比较，当VFB降至低于预选跳周期水平，IC经由专用关断序列进入跳周期模式。

　　在这种运行模式下，IC功耗降低，PFC段及使用PFC模式引脚的BO/PFC FB高压分压器可被禁用，由于NCP1399总是以特定的方式进入跳周期模式，这运行总是被Mlower驱动脉冲以导通时间等于Fmax的3/2时（或最后一个Mupper脉冲的3/2）结束，因此谐振电容电压保持为Vbulk*1/4 ，从而降低开关损耗。当FB引脚电压内部增加预选滞后，IC回到正常运行模式，Mlower的第一个脉冲被延长，对自举（bootstrap）电容进行再充电，并激励谐振回路以准备ZVS条件用于后续的Mupper导通进程，接下来的Mlower脉冲基于导通时间CMP信号而被延长。

　　

　　图4：进入跳周期模式及从跳周期模式回到正常模式

　　PFC导通/关断功能

　　PFC 导通/关断功能基于FB引脚电压监测来完成 。PFC预设的计时器（Timer）用来克服瞬态期间的问题，三态输出控制PFC FB/LLC Brown-Out（BO）分压器和PFC VCC。这PFC导通/关断功能在跳周期模式可降低轻载能耗。

　　NCP1399专有的控制提供强固的保护

　　1. 专有启动序列

　　在谐振开关电源应用中可能会出现硬开关启动。NCP1399 使用特定启动方案，确保在任何启动条件下的稳固的、无硬开关的启动。NCP1399使用软启动计数器和D/A转换器，实现数字非线性软启动序列。

　　2. 过载保护

　　过载保护通过FB引脚电压检测实现。导通时间比较器定义了比较值以控制导通时间。

　　当使用NCP1399发生次级短路时，FB引脚电压上升，当FB引脚电压达到最大值时，故障计时器/计数器启动，控制器禁用驱动脉冲并进入保护模式。

　　3. 内置可编程功能

　　NCP1399内置许多可编程功能，包括：空载期钳位和故障选项、TSD阈值、使用可调节的阈值选择Remote和关断模式、VCC导通/关断阈值、CS偏置和斜率补偿增益、提供CS LEB 、跳周期模式的内外阈值、故障计时器/计数器及其持续时间—包括自动恢复计时器、累积或非累积选择、OTP/OVP闩锁或自动恢复选择、BO选择 （IBO， VBO， 跳周期期间功能）、最大导通时间故障检测 （导通时间和闩锁/自动恢复）、启动序列的第1个Mupper和Mlower脉冲宽度、软启动增量影响软启动持续时间、P ON/OFF功能的激活和滞后以及计时器功能等，可在不同应用中根据具体情况将参数进行适当调整和优化，提供了设计灵活性并加快产品上市。

　　评估板能效测试

　　下图显示，当输入电压为110V和230V，输出电流在0-20A范围内时，NCP1399的能效高达90%以上。

　　

　　图5：评估板能效测试图

　　结语

　　安森美半导体推出的LLC AC-DC控制器NCP1399采用电流模式控制，突破电压模式控制的诸多限制，具有更瞬速的动态反应，提供更高的轻载及平均能效，并且无需辅助电源就能实现待机模式的超低待机能耗，从而降低成本，它采用可靠的开机启动模式，并集成过载保护、过流保护以避免硬开关，以及欠压检测、开路光耦检测、自动DT调节、过压保护和过温保护等一系列保护特性，保证系统可靠性。设计师还可利用NCP1399内置的可编程功能，根据具体应用对参数进行调整和优化，为大屏电视、一体化电脑等大功率应用设计出高能效、超低待机能耗的电源系统