大功率應(yīng)用的高能效電源設(shè)計(jì)方案

LLC拓?fù)湓?00 W-600 W電源應(yīng)用中相當(dāng)普及，尤其在需要高能效開關(guān)電源的方案。有別于市場(chǎng)上采用傳統(tǒng)電壓控制工作模式的LLC方案，安森美半導(dǎo)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(yīng)用600 V門極驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化布局并減少外部元件數(shù)，采用跳周期模式提升輕載能效，并集成一系列保護(hù)特性以提升系統(tǒng)可靠性，用于大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫(yī)療等大功率電源系統(tǒng)應(yīng)用，可顯著實(shí)現(xiàn)輕載和滿載時(shí)的高能效及超低待機(jī)能耗。

傳統(tǒng)電壓模式LLC的限制

傳統(tǒng)的電壓模式LLC控制器是通過次級(jí)穩(wěn)壓器改變壓控振蕩器(VCO)頻率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。由于沒有直接連接到初級(jí)端電流，所以需要添加額外的電路系統(tǒng)以提供過載及短路保護(hù)。當(dāng)輸出產(chǎn)生瞬態(tài)變化(如由空載轉(zhuǎn)至滿載)時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)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(dǎo)通時(shí)間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開關(guān)是不太容易的。當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，為降低待機(jī)能耗，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉PFC及LLC，但同時(shí)需要系統(tǒng)里有輔助電源來維持MCU及周邊元器件待機(jī)時(shí)的最低工作條件，增加了系統(tǒng)成本。

電流模式LLC的優(yōu)勢(shì)

相同條件下，電流模式LLC可提供比傳統(tǒng)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(fù)載響應(yīng)方面，電流模式LLC比電壓模式LLC提供更低壓降、更低過沖(overshoot)和更快穩(wěn)定響應(yīng);在線形紋波抑制方面，電流模式LLC 控制抑制線性紋波比VCO LLC好5倍，其與Vbulk有關(guān)的Vout紋波甚至可以忽略不計(jì);在線形瞬態(tài)方面，電流模式LLC控制提供較VCO LLC控制小10倍的過沖和小10倍的壓降。

NCP1399 應(yīng)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(yùn)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(diào)整進(jìn)入跳周期模式的負(fù)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則采用炔可瓚ǖ奶周期模式閾值電平 (IC內(nèi)部可編程)，及運(yùn)用獨(dú)立的光耦制REM 引腳而進(jìn)入關(guān)斷模式。

圖2. NCP1399典型應(yīng)用原理圖(上：A版本;下：B版本)

由于諧振電容集成初級(jí)電流(Iprimary)，所以Vcs電壓與初級(jí)電流成正比，而在關(guān)斷期間，Vcs電壓有正或負(fù)斜率，再者，關(guān)斷時(shí)的Vcs電壓幾乎是線性地依賴于負(fù)載電流，而Vcs關(guān)斷電壓曲線隨Vbulk變化，故可通過Vcs與初級(jí)電流的關(guān)系以及Vcs分壓實(shí)現(xiàn)電流模式LLC控制。具體控制算法為：1)通過Vcs分壓信號(hào)取得正諧振電容斜率;2)偏移加至Vcs分壓信號(hào)，以避免輕載時(shí)光耦飽和;3)根據(jù)FB引腳電壓和Vcs電壓斜率(反映通過初級(jí)電流的線路和負(fù)載條件)通過系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)Mupper導(dǎo)通時(shí)間;4)然后同樣的導(dǎo)通時(shí)間被復(fù)制用于Mlower MOSFET，確保完美對(duì)稱的直流。

圖3. 電流模式控制原理