詳細介紹諧振控制器
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時(shí)間：2011-10-07
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
現代電子設備功能越來(lái)越多，設備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來(lái)越大。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓撲具有較高效率，很多大功率消費電子產(chǎn)品和計算機都采用了這種電源拓撲，比如：液晶電視、等離子電視和筆記本電腦適配器。恩智浦專(zhuān)業(yè)諧振控制器可以幫助設計人員打造出高效的諧振電源，不僅在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。本文介紹了恩智浦最新的諧振控制器產(chǎn)品：TEA1713和TEA1613。這兩款器件采用了相同的新一代半橋諧振控制器。
2. 半橋LLC諧振轉換器
2.1 半橋諧振轉換器拓撲簡(jiǎn)介
圖1：諧振拓撲
諧振轉換器由直流高壓電源（升壓）供電，直流電源通常由前置PFC轉換器部分產(chǎn)生。諧振回路（或LLC回路）由電容器Cr和帶Lr（漏電感）和Lp（勵磁電感）的變壓器組成，由2個(gè)高壓MOSFET器件驅動(dòng)。半橋控制器(HBC)交替驅動(dòng)兩個(gè)MOSFET。電流大小由工作頻率決定。二次側高頻交流電壓通過(guò)整流和濾波獲得直流輸出電壓(Vout)。
2.2 自適應死區時(shí)間控制
由于MOSFET器件能夠實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，也稱(chēng)為零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，這就為諧振轉換器實(shí)現高效工作提供了可能。如果兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作之間有足夠長(cháng)的死區時(shí)間，半橋電壓（HB節點(diǎn)）可以完全上升或下降，MOSFET即能實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。通過(guò)這種方式可以最大程度降低開(kāi)關(guān)損耗。
在半橋斜坡（上升沿/下降沿）結束后，一次側電流會(huì )流過(guò)MOSFET內較高阻抗的體二極管，直至MOSFET器件打開(kāi)。因此，死區時(shí)間太長(cháng)會(huì )造成導通損失。
半橋斜坡速度以及死區時(shí)間取決于頻率、輸出負載、輸入和輸出電壓。采用固定死區時(shí)間的控制器，死區時(shí)間無(wú)論是內部固定還是外部可配置的，電源設計人員難于找到合適的值。
恩智浦新一代諧振控制器實(shí)現了真正的逐周期自適應死區時(shí)間控制。HBC控制器先進(jìn)的電路可以偵測到半橋斜坡結束點(diǎn)，確保在最佳時(shí)機開(kāi)通MOSFET，實(shí)現真正的無(wú)損切換。參見(jiàn)圖2，最大程度減少體二極管導通時(shí)間的同時(shí)實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。自適用死區時(shí)間功能簡(jiǎn)化了諧振電源設計，最大程度提高了電源效率。
圖2：自適應死區時(shí)間
2.3 諧振轉換器優(yōu)化啟動(dòng)
2.3.1 軟啟動(dòng)平衡
諧振轉換器以高頻啟動(dòng)，確保起始電流在安全范圍內。隨后開(kāi)始掃頻，頻率逐步降低，直至達到正常工作頻率。這一過(guò)程即為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)掃描速度是折衷平衡的結果：
· 一方面，軟啟動(dòng)應盡可能快，以便迅速達到設定的輸出電壓。在很多諧振電源設計中，控制器還通過(guò)緩沖電容器由諧振變壓器供電。變壓器輸出電壓的速度越快，所需緩沖電容充電量就越小，有利于降低緩沖電容規格。
· 另一方面，軟啟動(dòng)頻率掃描應盡可能慢，以避免過(guò)大的浪涌電流。浪涌電流幅度取決于輸入電壓、軟啟動(dòng)掃頻速度以及與負載相關(guān)的輸出電壓上升情況，因此在實(shí)際操作中很難預測。電源設計人員必須選擇最慢的掃頻速度，以適應最大負載時(shí)的最壞情況。
恩智浦諧振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各種啟動(dòng)條件下實(shí)現快速、安全、可控啟動(dòng)。
2.3.2 雙速軟啟動(dòng)機制
對于掃頻的前半部分，由于電流大小受頻率影響不大，雙速軟啟動(dòng)機制的掃頻速度要比正常掃頻速度快4倍。前半部分快速描頻可以縮短頻率下降過(guò)程，減少啟動(dòng)時(shí)間。
當頻率下降接近工作頻率時(shí)，由于靠近諧振頻率，電流對頻率變化敏感度提高，電流增速也相應提高。減慢后半部分掃頻速度可以控制電流和輸出電壓過(guò)沖。
2.3.3 感應交流電流實(shí)現過(guò)流調整
高的浪涌電流會(huì )對地產(chǎn)生干擾，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二極管的額定電流值。通過(guò)過(guò)流調節(OCR)將電流限制在用戶(hù)設定的安全范圍，可以解決這一問(wèn)題。
OCR可以檢測出一次側諧振電流，如果該電流超過(guò)用戶(hù)設定的電流值，則增大頻率。利用這一功能，電源設計人員可以根據典型應用條件選擇快速軟啟動(dòng)速度。對于特殊條件，比如滿(mǎn)載啟動(dòng)，OCR通過(guò)減慢掃頻速度可將電流限制在安全范圍。
OCR通過(guò)雙速軟啟動(dòng)機制控制來(lái)頻率，作為兩種有效手段之一，通過(guò)這種方法更容易實(shí)現穩定的電流調節。圖3給出了啟動(dòng)期間輸出電壓上升期OCR被激活示例。
圖3：?jiǎn)?dòng)電流調節
第二種大幅提升OCR穩定性的方法是對一次交流瞬時(shí)電流值進(jìn)行直接的逐周期檢測。一般的OCR電路采用檢測整流和濾器后產(chǎn)生的直流電壓的方法，該直流電壓代表了控制器的平均電流水平。但這種設計中的濾波器會(huì )產(chǎn)生第二個(gè)低頻極點(diǎn)，因此很難建立穩定的OCR回路。而對瞬時(shí)電流進(jìn)行直接的交流檢測則無(wú)需使用整流器和濾波器，這樣既節約了元器件成本，提高了OCR穩定性，又能增加精度，達到快速過(guò)流檢測和響應的目的。
2.3.4 縮短高邊第一個(gè)脈沖時(shí)間
啟動(dòng)時(shí)按正常開(kāi)通時(shí)間打開(kāi)高邊MOSFET，第一個(gè)電流脈沖的幅度會(huì )很高，該峰值電流會(huì )造成干擾。TEA1713和TEA1613控制器把高邊MOSFET的第一個(gè)導通時(shí)間縮短為只有正常導通時(shí)間的一半，因此原邊電流初始幅度較低，可以快速達到穩定的工作狀態(tài)(圖4)。
a. 通常情況下第一次高邊MOSFET導通時(shí)間。 b. 縮短高邊導通時(shí)間后有限的峰值電流。
圖4：縮短高邊導通時(shí)間后的效果
3. 可靠性和安全性
提升開(kāi)關(guān)式電源的可靠性與耐用性是減少返修和控制成本的關(guān)鍵因素。為此，恩智浦在TEA1613和TEA1713產(chǎn)品中增加了多重保護功能，為客戶(hù)帶來(lái)了真正完美的電源解決方案。
3.1容性模式保護
比較獨特的保護功能是恩智浦正在申請專(zhuān)利的逐周期容性模式保護，它能夠有效避免任何因容性模式對功率MOSFET可能造成的損害。有了它設計人員無(wú)須考慮與容性模式開(kāi)關(guān)相關(guān)的MOSFET的反向恢復問(wèn)題。因此，設計人員選用MOSFET器件時(shí)可以進(jìn)行成本優(yōu)化，不會(huì )影響整個(gè)電源系統的性能和可靠性。
諧振轉換器通常工作在感性模式下，其開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率，利用功率MOSFET器件的零電壓切換(ZVS)功能實(shí)現電源高效運行。對于輸出短路電流、高脈動(dòng)負載或市電降壓等特殊情況，諧振回路的諧振頻率短時(shí)間會(huì )高于工作頻率，這將使得諧振回路變成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET關(guān)閉后電流會(huì )持續流經(jīng)體二極管，半橋節點(diǎn)(HB)不會(huì )出現電壓變化。此時(shí)打開(kāi)另一個(gè)MOSFET會(huì )非常危險，因為帶體二極管的MOSFET反向恢復時(shí)產(chǎn)生的峰值電流可以瞬時(shí)燒毀器件。TEA1713和TEA1613對于危險的容性模式工作提供了三重動(dòng)作保護。
TEA1713和TEA1613自適應死區時(shí)間控制是第一重保護，可以延遲另一個(gè)MOSFET器件打開(kāi)時(shí)間，直到電流恢復正常極性。MOSFET會(huì )在半橋斜坡結束后打開(kāi)，因此可以確保電流已恢復正確安全的極性。參見(jiàn)圖5。該功能可以防止MOSFET在體二極管未恢復時(shí)危險的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
圖5；容性開(kāi)關(guān)保護
容性模式發(fā)生后，諧振電流返回正常極性需要半個(gè)諧振周期，斜坡發(fā)生在半橋節點(diǎn)上。為了實(shí)現相對較長(cháng)的等待時(shí)間，振蕩器速度減慢直到檢測到半橋斜坡起點(diǎn)。這是第二重保護動(dòng)作。
第三重保護動(dòng)作是在容性模式工作期間提高振蕩器頻率。該動(dòng)作可以使轉換器返回安全的感性模式。
3.2 具有補償升壓電壓的兩級過(guò)流保護
為了防止（短時(shí)）在大功率下運行導致元器件過(guò)熱或者變壓器飽和，恩智浦產(chǎn)品采用了兩級過(guò)流保護設計。
第一步：電流較低時(shí)，通過(guò)調節頻率來(lái)限制電流。該過(guò)流調節(OCR)功能在啟動(dòng)期間同樣可以限制電流。
第二步：如果電流增加太快，OCR無(wú)法調節，比如輸出短路。此時(shí)可采取更為有力的保護措施——立即將開(kāi)關(guān)頻率提到最高。這一過(guò)程也稱(chēng)為過(guò)流保護(OCP)。
諧振轉換器的輸入電壓(升壓后)通常由PFC產(chǎn)生，非常穩定。不過(guò)，在啟動(dòng)期間、市電降壓、或者沒(méi)有有源PFC的系統中，升壓后的電壓會(huì )比較低。因此，對于相同輸出功率的諧振轉換器，
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