大屏电视等大功率应用的高能效电源设计

2015-10-10 09:35:25

[导读] LLC拓扑在200 W-600 W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是业界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。

LLC拓扑在200 W-600 W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是业界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