全橋移相ZVSPWM控制器LTC3722-X的原理及應用

摘 要：介紹了新型全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)控制器LTC3722-x的原理，討論了自適應控制以及集成的同步整流控制的實(shí)現，并給出了基于該芯片的通信電源的設計方案。
關(guān)鍵詞：LTC3722-X；自適應控制；同步整流；零電壓開(kāi)關(guān)

0 引言
上世紀90年代初，隨著(zhù)全橋移相ZVS技術(shù)的推出，使該技術(shù)在大功率領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。通過(guò)引入超前臂和滯后臂的概念，人們提出了 多種實(shí)現ZVS的新方法，并得到了廣泛的實(shí)際應用。但是，全橋移相ZVS變換器仍然存在如下一些缺點(diǎn)：

1)軟開(kāi)關(guān)的邊界條件，滯后臂(被動(dòng)臂)實(shí)現ZVS的范圍受負載和電源電壓的影響，輕載時(shí)難以實(shí)現ZVS，導致效率下降；
2)引入了大的諧振電感，增加了功率損耗，降低了，效率；
3)整流管換流時(shí)，諧振電感與整流管的寄生電容產(chǎn)生強烈振蕩，導致整流管的電壓應力較高，吸收電路的損耗較大，有較大的開(kāi)關(guān)噪音；
4)占空比丟失。

LTC3722-X是美國凌特公司2003年4月推出的一款新的全橋移相ZVS控制器，它設有電流型(LTC3722-1)及電壓型(LTC3722-2)兩個(gè)版本，可以有效地解決或緩解以上問(wèn)題。其除了具有傳統的全橋PWM控制器的通用功能外，還增加了兩個(gè)特色的新技術(shù)，即
1)加入了自適應(adaptive)零電壓延遲控制，從而使變換器幾乎能在整個(gè)工作條件下都實(shí)現ZVS。由于采用自適應技術(shù)，大幅度減小了諧振電感，即縮小了諧振電感的體積及功耗，從而也減小了占空比的丟失以及由此而帶來(lái)的功率損耗。
2)集成了同步整流控制，可以調節同步整流MOSFET關(guān)斷的延遲時(shí)間，在變壓器的二次側給出兩個(gè)相差180度的同步整流的驅動(dòng)脈沖。

1 LTC3722-x的結構
LTC3722-x包括LTC3722-l(電流型)和LTC3722-2(電壓型)兩種芯片。其管腳如圖1和圖2所示，管腳說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖2是LTC3722-2的內部結構圖，主要包括自適應和固定延時(shí)電路、同步整流脈沖發(fā)生電路、參考電壓電路、欠壓鎖定與軟啟動(dòng)電路、誤差放大器、斜坡補償電路等。下面以L(fǎng)TC3722-2為例討淪其主要特點(diǎn)。

2 自適應延時(shí)控制
LTC3722用于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的工作模式有兩種：自適應延遲法和固定延時(shí)法，工作電路分別如圖3及圖4所示。

自適應延時(shí)時(shí)，LTC3722檢測輸入電源電壓和每個(gè)橋臂中點(diǎn)的瞬時(shí)電壓，以便在所希望的零電壓條件達到時(shí)再命令開(kāi)關(guān)傳輸，這種直接檢測技術(shù)可以提供最佳的延遲時(shí)間，而不去管輸入電壓和負載的狀態(tài)。直接檢測技術(shù)僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器。如果沒(méi)有足夠的能量在ZVS條件讓兩橋臂轉換，當達到固定延遲時(shí)則強制轉換。

LTC3722接成自適應型時(shí)，要使用3個(gè)端子的功能，即ADLY，PDLY及SBUS。ADLY及PDLY分別檢測主動(dòng)臂(開(kāi)關(guān)SC和SD)及被動(dòng)臂(開(kāi)關(guān)SA和SB)的2只MOSFET的漏極電壓PDLY及ADLY的閾值電壓對于上升及下降的轉換都由總線(xiàn)電壓(SBUS端取得的電壓)來(lái)沒(méi)置。在正?？偩€(xiàn)電壓時(shí)(例如48 v)SBUs電壓為1．5 V，由兩只電阻從VIN到GND分壓得到。其正比于VIN的變化，LTC3722將上述3個(gè)電壓比較后，調整4只MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間，以確保不論VIN如何變化，都工作在ZVS的條件下。

ADLY及PDLY也是接到橋的兩腰至GND的分壓器上，分別對應主動(dòng)臂及被動(dòng)臂。分壓器的下電阻選為1 kΩ，上電阻則根據分壓器的要求算出。為了確定其阻值，先要確定橋路兩臂MOSFET導通時(shí)的漏源電壓和LTC3722控制器驅動(dòng)兩臂MOSFET開(kāi)關(guān)轉換的時(shí)間間隔。由于MOSFET的開(kāi)啟延遲及外驅動(dòng)電路的延遲，理想的狀態(tài)是功率MOSFET剛好在VDS為零時(shí)開(kāi)啟。設置ADILY及PDLY的閾值電壓時(shí)要根據M0SFET上的幾個(gè)電壓來(lái)決定，LTC3722依據內部邏輯計算出零電壓的VDS值，并給出適時(shí)的驅動(dòng)信號，從而實(shí)現ZVS開(kāi)啟。

LTC3722直接檢測電路源自PDLY及ADLY從低電平升至高電平時(shí)流出的取樣電流。這就提供出一個(gè)人為滯后并免除PDLY及ADLY處的開(kāi)關(guān)噪聲。所設置的ADLY及PDLY從高到低的閾值與從低到高的閾值極為接近。因此，就可以讓上端及下端MOSFET的VDS開(kāi)關(guān)點(diǎn)能達到理想化。一般橋臂的兩腰取樣阻值分壓取7 v，以便適應上面所敘述的2個(gè)延遲時(shí)間。

固定延時(shí)工作模式，可以通過(guò)SBUS直接接到Vref端。用3個(gè)電阻分壓后，將其中2個(gè)點(diǎn)各接至PDLY及ADLY端。這種方式的電平取樣固定，工作模式也比較簡(jiǎn)單，但是效果會(huì )差一些。

另外，LTC3722可以在橋臂的開(kāi)關(guān)導通信號發(fā)出之前調整延遲時(shí)間。如果沒(méi)有足夠的能量實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，將自適應延遲電路給旁路掉。只要在DPRG和VREF之間外接一個(gè)電阻，該電阻調節從VREF端進(jìn)入DPRG端的電流，正常時(shí)，DPRG端的電壓是2 v，調節電阻值得到的延遲時(shí)間可以從35 ns調至300ns。

3 同步整流控制
近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，MOSFET的導通電阻已經(jīng)低于2mΩ，開(kāi)關(guān)速度小于20ns，柵極驅動(dòng)電荷小于25 nC。同步整流技術(shù)不僅應用于5v左右的低電壓輸出領(lǐng)域，而且在28V以下的輸出電源中也取得廣泛應用，對于提高變換器的效率起到關(guān)鍵作用。LTC3722恰恰提供了同步整流控制，可以大大簡(jiǎn)化控制系統的設計。LTC3722根據原邊的驅動(dòng)信號，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計算，在變壓器二次側給出了同步整流的驅動(dòng)信號，如圖5所示。利用MOSFET較低的導通電阻，可以有效地提高系統的效率。另外，LTC3722還可以設定同步整流的關(guān)斷延時(shí)。這樣在負載較大時(shí)，在變壓器磁芯復位后，再關(guān)閉相應的整流MOSFET使得續流能夠從MOSFET中導通，而不是體二極管。這個(gè)時(shí)間延遲可以通過(guò)調整管腳SPRG接地的一個(gè)電阻來(lái)設定。該電阻調節從DPRG端進(jìn)入GND的電流，通常，SPRG端的電壓是2V，電阻從10KΩ到200KΩ之間取值時(shí)，延遲時(shí)間可以調整到20-200ns。

其它的控制，例如：軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、頻率設定、斜坡補償、閉環(huán)設計等和以前的控制芯片(LTCl922)類(lèi)似，就不多討論了。

4 LTC3722-x的應用
LTC3722-x適用于低壓大電流的通信電源、服務(wù)器和分布式電源系統。

4．1 一種低壓大電流電源方案
圖6(a)是I．Tc公司推薦的一種12V／240w電源設計方案，圖6(b)則給出了這種電源的效率曲線(xiàn)。由圖6(b)可知，當輸入發(fā)生變化時(shí)，變換器在較大的負載范圍內效率都很高。

4．2 通信電源設計方案
當前程控數字交換設備等通信設備所需要的多為48v或24v的直流電源。而變換器大都采用全橋拓撲，控制方式主要分為兩種：zVs和zvSZCS控制。由于以前的控制芯片內部沒(méi)有集成同步整流控制，使得需要增加額外的電路再實(shí)現同步整流，所以實(shí)際應用較少。圖7是基于Ⅱc3722一x的通信電源的設計方案。

5 結語(yǔ)
本文介紹了新型全橋移相zVs軟開(kāi)關(guān)控制器LTC3722-x的原理，詳細地討論了其如何實(shí)現自適應延時(shí)控制，以及集成的同步整流功能。該芯片功能強，設計簡(jiǎn)單，而且可以大大提高變換器的效率，是目前性能比較好的全橋PWM控制器。