增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略

在追求高轉換效率的電源轉換器應用中，采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉換器（resonant power converter）電路架構因其優(yōu)異的效率表現，在近年來(lái)變得相當流行。為了進(jìn)一步增進(jìn) LLC 電源轉換器在重載時(shí)的工作效率，設計實(shí)例中也紛紛采用了同步整流（synchronous rectification, SR）來(lái)減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外，針對輕載效率的增進(jìn)，有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變（pulse frequency modulation, PFM），許多專(zhuān)用控制器也提供了輕載控制模式 （Light-load mode） 來(lái)減少切換損失。

LLC同步整流應用電路及工作原理

NCP4318 是適用于 LLC 架構的同步整流控制器，其應用電路如圖  1所示，而其工作原理則概述如圖  2。NCP4318透過(guò) VD 與 VS 腳位來(lái)檢測 SR 功率開(kāi)關(guān)之汲極（drain, D）與源極（source, S）之間的電位差（VDS），以此決定其 VG 腳位的驅動(dòng)信號狀態(tài)。驅動(dòng)信號的觸發(fā)分為 DLY_EN 旗標為 LOW 或 HIGH 兩種狀況。一般情況下，當 VD 與 VS 腳位之間的電位差低于 VTH-ON 準位時(shí)，立即將VG輸出為 HIGH。但當 DLY_EN 旗標為 HIGH 時(shí)， VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準位要維持一段 tON-DLY2 的延遲時(shí)間，VG 才會(huì )輸出為 HIGH。在 VG 輸出為 HIGH 時(shí)，透過(guò)偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準位，NCP4318 會(huì )將 VG 信號關(guān)斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設計中是一個(gè)變動(dòng)的值。藉由調整 VTH-OFF，NCP4318 可以確保從 VG 關(guān)斷到 VD 電壓上升達 VTH-HGH 的時(shí)間差，亦即死區時(shí)間（dead time），在不同負載的狀況下都保持不變。

圖1 NCP4318基本應用電路圖

(a)DLY_EN 旗標為L(cháng)OW

(b)DLY_EN 旗標為HIGH

圖2 NCP4318基本動(dòng)作原理

輕載控制模式

許多廠(chǎng)家推出的 LLC 控制專(zhuān)用 IC 都提供了輕載控制模式。雖然其觸發(fā)條件和操作細節各有差異，但共通的原理是將一次側的閘極信號控制為一個(gè)經(jīng)過(guò)設計的封包（packet、pattern、package），再調整封包之間的距離，以實(shí)現功率的調變。這些封包通常具有較短的開(kāi)頭閘極脈沖（gate pulse），用來(lái)將LLC的諧振腔（resonant tank）儲能狀態(tài)操作到能夠傳送能量的狀態(tài)，然后再使用后續的閘極脈沖將能量傳遞到二次側。以 onsemi 的 NCP13992 系列為例，如圖  3所示，一次側的閘極信號按照 Q2→Q1→Q2 的順序排列，而封包之間有一段所有閘極信號皆為低準位的休止（dormant）時(shí)間。藉由輕載控制模式，LLC電路可以避免在輕載時(shí)被操作在較高的切換頻率（switching frequency），從而降低切換損失（switching loss）。

(a)操作范例一

(b)操作范例二

圖3 NCP13992/NCP13994的輕載操作模式

兼容性挑戰

當一次側操作為輕載操作模式，二次側的電流波形會(huì )與通常的脈沖頻率調變相當不同。首先，由于一次側的導通時(shí)間會(huì )有長(cháng)短變化，因此二次側的電流導通時(shí)間也會(huì )有所變動(dòng)。此外，并不是每一個(gè)一次側的閘極脈沖都會(huì )在二次側產(chǎn)生導通電流。實(shí)際上，視乎不同輕載操作模式的封包設計，二次側的電流導通樣態(tài)也會(huì )有所不同。有些一次側閘極脈沖并不會(huì )讓二次側呈現出導通電流，而有些則只會(huì )導通部分時(shí)間。甚至在休止時(shí)間內，共振腔剩余的電流導通一次側功率開(kāi)關(guān)本體二極管（body diode）時(shí)，二次側有時(shí)也會(huì )有短暫的電流導通。

當二次側導通電流時(shí)，首先會(huì )讓 SR 功率開(kāi)關(guān)的本體二極管導通。此時(shí)，SR 控制器會(huì )偵測到 VD 與 VS 電位差的低準位，進(jìn)而送出 VG 脈沖。然而，在輕載操作模式中，二次側的電流會(huì )忽大忽小、忽長(cháng)忽短、忽有忽無(wú)，這對 SR 控制器來(lái)說(shuō)帶來(lái)更多挑戰。

參數調整策略

幸好，NCP4318具有可調整的參數，可以透過(guò)調整其允許調整的部分參數來(lái)增進(jìn)其與輕載操作模式的兼容性。以下列出較相關(guān)的參數及描述其分別的調整方向：

一、縮短 tON-DLY2

NCP4318 的 tON-DLY2 設計，究其原由，是為了操作于低于諧振頻率模式（below resonance）的 LLC 電源轉換器，在輕載時(shí)的二次側電流導通特性所設計的機制。只要在觸發(fā)到 NCP4318 的負電流偵測（SRCINV），或是脈沖跳頻模式（skip mode）時(shí)，一次側無(wú)脈沖的時(shí)間達足夠長(cháng)度（tGRN2-ENT），DLY_EN 旗標即會(huì )轉態(tài)為 HIGH。而負電流偵測在各種輕載的瞬時(shí)過(guò)程中都很容易觸發(fā)。例如，重載跳到輕載，或是在輕載時(shí)的脈沖跳頻模式的進(jìn)出過(guò)程，都很容易在二次側電流縮小并縮短其導通時(shí)間的切換周期里，觸發(fā)到負電流偵測。因此，在輕載狀況下，NCP4318 的 DLY_EN 旗標通常為 HIGH。

圖4 低于諧振頻率模式的輕載二次側電流典型特性

對于具有輕載操作模式的控制器，設計上通常會(huì )讓?xiě)搶娏鞯拈l極脈沖都能導通相當的電流，而每個(gè)脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長(cháng)，而是更近于高于諧振頻率模式（above resonance）的波形。因此，如圖  4那樣需要相當長(cháng)度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見(jiàn)于輕載操作模式?；谠鲞M(jìn) SR 功率開(kāi)關(guān)的利用率的考慮，建議將 tON-DLY2 參數設定得較短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短可以設定到240 ns。

二、縮小 K_TON1/2、t_INV

由于在切換的過(guò)程容易伴隨如圖  5所示的噪聲，這些噪聲可能會(huì )使 VDS 高過(guò) VTH-OFF。因此，NCP4318 設計了最短導通時(shí)間（tON-MIN）來(lái)防止 VG 脈沖被過(guò)早地關(guān)斷。NCP4318 的最短導通時(shí)間設計為基于前一個(gè)切換周期所測得的同步整流導通時(shí)間（SRCOND[n-1]）的一個(gè)固定比例。這個(gè)比例取決于 DLY_EN 旗目標狀態(tài)，可以是 KTON1 或 KTON2 ，如圖  2所示。在最短導通時(shí)間內，VTH-OFF 會(huì )被無(wú)效化，但 VG 仍然可以透過(guò)保護機制（例如SRCINV）來(lái)關(guān)斷。然而，透過(guò)保護機制關(guān)斷 VG，總是需要多滿(mǎn)足一段延遲時(shí)間（delay time），這會(huì )使關(guān)斷時(shí)間稍晚一些。SRCINV 的延遲時(shí)間為tINV。如果 SR 閘極信號因為其開(kāi)關(guān)導通的電流由正轉負而需要被關(guān)斷，多等一段時(shí)間，也就讓負電流多累積一點(diǎn)時(shí)間，將在關(guān)斷時(shí)造成同步整流功率開(kāi)關(guān)上較大電壓應力。

因為輕載操作模式的電流導通時(shí)間會(huì )忽長(cháng)忽短，為了避免其中由長(cháng)變短時(shí)，短的導通時(shí)間落入 tON-MIN 之內，您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設定得短一點(diǎn)。NCP4318 所提供的最短參數設定為 KTON1=34%、KTON2=17%。

另外，如果一次側的短脈寬可調整，也建議將它調整得比 KTON2 還長(cháng)一些。如果一次側的短脈寬無(wú)法稍微拉長(cháng)，難免還是會(huì )需要透過(guò) SRCINV 來(lái)關(guān)斷 VG 的狀況。因此，您可以將 SRCINV 的延遲時(shí)間設定得短一點(diǎn)。但是，要注意不要短得讓如圖  5的噪聲觸發(fā)了 SRCINV。NCP4318 的 tINV 可設定范圍為170 ~ 620 ns。

圖5 VG導通時(shí)的V_DS噪聲

三、縮短 tOFF-MIN

通常在一個(gè)閘極脈沖剛關(guān)斷的時(shí)候，為了防止受到噪聲影響而誤觸了導通的動(dòng)作，我們會(huì )在關(guān)斷之后加上一段最短關(guān)斷時(shí)間（tOFF-MIN），以確保閘極信號的關(guān)斷狀態(tài)至少維持這么一段時(shí)間。在圖  3中提到，輕載操作模式通常是在封包之間插入休止時(shí)間來(lái)調整能量傳遞。封包里的第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖通常都落在同一個(gè)閘極信號上，例如圖  3的例子是在 Q2。連續兩個(gè) Q2 脈沖，如果休止時(shí)間比較短，同一個(gè) SR 功率開(kāi)關(guān)可能需要在關(guān)斷不久后又立即開(kāi)通。因此，您可以把 NCP4318 的 tOFF-MIN 設定為較短的選項。例如，低頻版本（NCP4318xLx）的 tOFF-MIN 參數為 2 μs，您可以另外選擇 700 ns；而高頻版本（NCP4318xHx）的 tOFF-MIN 參數為 1 μs，您可以另外選為 500 ns。

圖6 tOFF-MIN使VG無(wú)法實(shí)時(shí)開(kāi)通

綜上所述，搭配輕載操作模式，建議的 NCP4318 參數挑選為短 tON-DLY2、小 KTON、短 tINV 和短 tOFF-MIN。在本文撰寫(xiě)時(shí)，尚無(wú)單一版本的 NCP4318 將以上所提到的所有參數調整到極致。根據本文撰寫(xiě)時(shí) NCP4318 的規格手冊，目前所有版本的 tON-DLY2 都是最短的設定。具有較小的 KTON 的版本有 NCP4318ALGP。至于 tINV，最短設定的版本包括有 NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而 tOFF-MIN 設定為較短值的版本則包括 NCP4318ALS。

NCP4318的參數調整方式是封裝后程控（in-package programming）。目前的產(chǎn)品方針是將每一種不同設定做成個(gè)別可定購零件編號（orderable part number, OPN）。如果您有客制參數設定的需求，可以與當地的 onsemi 業(yè)務(wù)代表或產(chǎn)品代理商聯(lián)系。

表1 NCP4318在本文寫(xiě)作當下的可定購版本列表