基于安森美半導體的NCP1399設計大屏電視等大功率應用的高能效電源

　　LLC拓撲在200W-600W電源應用中相當普及，尤其在需要高能效開(kāi)關(guān)電源的方案。有別于市場(chǎng)上采用傳統電壓控制工作模式的`LLC方案，安森美半導體的NCP1399是業(yè)界首款采用電流控制模式的LLC AC-DC控制IC。該器件應用600 V門(mén)極驅動(dòng)器簡(jiǎn)化布局并減少外部元件數，采用跳周期模式提升輕載能效，并集成一系列保護特性以提升系統可靠性，用于大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫療等大功率電源系統應用，可顯著(zhù)實(shí)現輕載和滿(mǎn)載時(shí)的高能效及超低待機能耗。

　　傳統電壓模式LLC的限制

　　傳統的電壓模式LLC控制器是通過(guò)次級穩壓器改變壓控振蕩器(VCO)頻率，從而實(shí)現穩壓。由于沒(méi)有直接連接到初級端電流，所以需要添加額外的電路系統以提供過(guò)載及短路保護。當輸出產(chǎn)生瞬態(tài)變化(如由空載轉至滿(mǎn)載) 時(shí)，瞬態(tài)響應會(huì )比較慢。而且，LLC啟動(dòng)行為受諧振回路的元器件、實(shí)際的諧振電容電壓、啟動(dòng)階段的輸出電壓、啟動(dòng)大電流電壓和初始導通時(shí)間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開(kāi)關(guān)是不太容易的。當應用進(jìn)入待機模式時(shí)，為降低待機能耗，系統會(huì )關(guān)閉PFC及LLC，但同時(shí)需要系統里有輔助電源來(lái)維持MCU及周邊元器件待機時(shí)的最低工作條件，增加了系統成本。

　　電流模式LLC的優(yōu)勢

　　相同條件下，電流模式LLC可提供比傳統電壓模式LLC高得多的 fo，從這波特圖可以看出。

　　圖1. 波特圖

　　因此，在動(dòng)態(tài)負載響應方面，電流模式LLC比電壓模式LLC提供更低壓降、更低過(guò)沖(overshoot)和更快穩定響應;在線(xiàn)形紋波抑制方面，電流模式LLC 控制抑制線(xiàn)性紋波比VCO LLC好5倍，其與Vbulk有關(guān)的Vout 紋波甚至可以忽 略不計;在線(xiàn)形瞬態(tài)方面，電流模式LLC控制提供較 VCO LLC控制小10倍的過(guò)沖和小10倍的壓降。

　　NCP1399應用原理及電流模式控制算法

　　NCP1399有Active OFF關(guān)斷模式(NCP1399Ax)和Active ON關(guān)斷模式(NCP1399Bx)兩個(gè)版本。如圖2所示，兩個(gè)版本均采用業(yè)界首款6引腳PFC控制器NCP1602，與NCP1399配合成為完整的LLC方案。PFC運行由NCP1399經(jīng)由VCC控制，PFC FB和 LLC BO 的電阻分壓是共享的，這共享也是可關(guān)斷的。NCP1399Ax采用”Skip”引腳調整進(jìn)入跳周期模式的負載狀態(tài)，及偵察到FB電壓低于VB_remote_off時(shí)進(jìn)入關(guān)斷模式;NCP1399Bx則采用內部設定的“跳周期模式”閾值電平 (IC內部可編程)，及運用獨立的光耦制REM 引腳而進(jìn)入關(guān)斷模式。

　　圖2. NCP1399典型應用原理圖(上：A版本;下：B版本)

　　由于諧振電容集成初級電流(Iprimary)，所以Vcs電壓與初級電流成正比，而在關(guān)斷期間，Vcs電壓有正或負斜率，再者，關(guān)斷時(shí)的Vcs電壓幾乎是線(xiàn)性地依賴(lài)于負載電流，而Vcs關(guān)斷電壓曲線(xiàn)隨Vbulk變化，故可通過(guò)Vcs與初級電流的關(guān)系以及Vcs分壓實(shí)現電流模式LLC控制。具體控制算法為：1)通過(guò)Vcs分壓信號取得正諧振電容斜率;2)偏移加至Vcs分壓信號，以避免輕載時(shí)光耦飽和;3)根據FB引腳電壓和Vcs電壓斜率(反映通過(guò)初級電流的線(xiàn)路和負載條件)通過(guò)系統自動(dòng)調節M(mǎn)upper導通時(shí)間;4)然后同樣的導通時(shí)間被復制用于Mlower MOSFET，確保完美對稱(chēng)的直流。

　　圖3. 電流模式控制原理

　　NCP1399如何實(shí)現高能效及超低待機能耗

　　自動(dòng)調節死區時(shí)間(DeadTime, DT)

　　DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉導通，從而防止過(guò)電流對系統的損毀。固定的DT期通常用于使能諧振轉換器，但由于勵磁電流隨線(xiàn)性和負載條件變化，采用固定的DT期不能確保最佳的運行條件。NCP1399采用專(zhuān)有方式，當檢測到零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)轉換，dV/dt傳感器監測HB引腳斜率，并提供邏輯信號，從而根據諧振回路參數優(yōu)化調節DT。

　　跳周期模式

　　由于初級端MOSFET的ZVS和次級端整流器的ZCS(零電流開(kāi)關(guān))，LLC諧振轉換器可在中度負載和滿(mǎn)載時(shí)達到最高能效。但在輕載和空載條件下，如果采用普通的頻率調制控制技術(shù)會(huì )產(chǎn)生不小的能耗。NCP1399采用專(zhuān)有的跳周期模式技術(shù)，盡可能地提升輕載能效并降低噪聲。它基于FB引腳電壓電平執行跳周期模式，跳周期比較器將FB引腳電壓和預選值進(jìn)行比較，當VFB降至低于預選跳周期水平，IC經(jīng)由專(zhuān)用關(guān)斷序列進(jìn)入跳周期模式。在這種運行模式下，IC功耗降低，PFC段及使用PFC模式引腳的BO/PFC FB高壓分壓器可被禁用，由于NCP1399總是以特定的方式進(jìn)入跳周期模式，這運行總是被Mlower驅動(dòng)脈沖以導通時(shí)間等于Fmax的3/2時(shí)(或最后一個(gè)Mupper脈沖的3/2)結束，因此諧振電容電壓保持為Vbulk*1/4 ，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。當FB引腳電壓內部增加預選滯后，IC回到正常運行模式，Mlower的第一個(gè)脈沖被延長(cháng)，對自舉(bootstrap)電容進(jìn)行再充電，并激勵諧振回路以準備ZVS條件用于后續的Mupper導通進(jìn)程，接下來(lái)的Mlower脈沖基于導通時(shí)間CMP信號而被延長(cháng)。

　　圖4. 進(jìn)入跳周期模式及從跳周期模式回到正常模式

　　PFC導通/關(guān)斷功能

　　PFC 導通/關(guān)斷功能基于FB引腳電壓監測來(lái)完成 。PFC預設的計時(shí)器(Timer)用來(lái)克服瞬態(tài)期間的問(wèn)題，三態(tài)輸出控制PFC FB/LLC Brown-Out(BO)分壓器和PFC VCC。這PFC導通/關(guān)斷功能在跳周期模式可降低輕載能耗。

　　NCP1399專(zhuān)有的控制提供強固的保護

　　1. 專(zhuān)有啟動(dòng)序列

　　在諧振開(kāi)關(guān)電源應用中可能會(huì )出現硬開(kāi)關(guān)啟動(dòng)。NCP1399 使用特定啟動(dòng)方案，確保在任何啟動(dòng)條件下的穩固的、無(wú)硬開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)。NCP1399使用軟啟動(dòng)計數器和D/A轉換器，實(shí)現數字非線(xiàn)性軟啟動(dòng)序列。

　　2. 過(guò)載保護

　　過(guò)載保護通過(guò)FB引腳電壓檢測實(shí)現。導通時(shí)間比較器定義了比較值以控制導通時(shí)間。

　　當使用NCP1399發(fā)生次級短路時(shí)，FB引腳電壓上升，當FB引腳電壓達到最大值時(shí)，故障計時(shí)器/計數器啟動(dòng)，控制器禁用驅動(dòng)脈沖并進(jìn)入保護模式。

　　3. 內置可編程功能

　　NCP1399內置許多可編程功能，包括：空載期鉗位和故障選項、TSD閾值、使用可調節的閾值選擇Remote和關(guān)斷模式、VCC導通/關(guān)斷閾值、CS偏置和斜率補償增益、提供CS LEB 、跳周期模式的內外閾值、故障計時(shí)器/計數器及其持續時(shí)間—包括自動(dòng)恢復計時(shí)器、累積或非累積選擇、OTP/OVP閂鎖或自動(dòng)恢復選擇、BO選擇 (IBO, VBO, 跳周期期間功能)、最大導通時(shí)間故障檢測 (導通時(shí)間和閂鎖/自動(dòng)恢復)、啟動(dòng)序列的第1個(gè)Mupper和Mlower脈沖寬度、軟啟動(dòng)增量影響軟啟動(dòng)持續時(shí)間、P ON/OFF功能的激活和滯后以及計時(shí)器功能等，可在不同應用中根據具體情況將參數進(jìn)行適當調整和優(yōu)化，提供了設計靈活性并加快產(chǎn)品上市。

　　評估板能效測試

　　下圖顯示，當輸入電壓為110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內時(shí)，NCP1399的能效高達90%以上。

　　圖5. 評估板能效測試圖

　　結語(yǔ)

　　安森美半導體推出的LLC AC-DC控制器NCP1399采用電流模式控制，突破電壓模式控制的諸多限制，具有更瞬速的動(dòng)態(tài)反應，提供更高的輕載及平均能效，并且無(wú)需輔助電源就能實(shí)現待機模式的超低待機能耗，從而降低成本，它采用可靠的開(kāi)機啟動(dòng)模式，并集成過(guò)載保護、過(guò)流保護以避免硬開(kāi)關(guān)，以及欠壓檢測、開(kāi)路光耦檢測、自動(dòng)DT調節、過(guò)壓保護和過(guò)溫保護等一系列保護特性，保證系統可靠性。設計師還可利用NCP1399內置的可編程功能，根據具體應用對參數進(jìn)行調整和優(yōu)化，為大屏電視、一體化電腦等大功率應用設計出高能效、超低待機能耗的電源系統。