大功率應(yīng)用的高能效電源設(shè)計方案

在當(dāng)今的高效能電子系統(tǒng)中，大功率電源設(shè)計變得越來越重要。這些系統(tǒng)通常要求電源具備高效率、高可靠性和低待機能耗，特別是在大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了一種基于LLC拓?fù)浜碗娏髂Ｊ娇刂频母吣苄щ娫丛O(shè)計方案，重點分析該方案的優(yōu)勢、工作原理和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展，電子設(shè)備對電源性能的要求也在不斷提高。特別是在大功率應(yīng)用中，傳統(tǒng)電壓模式控制的電源系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的高能效和低待機能耗需求。因此，需要一種新的電源設(shè)計方案來突破這些限制。本文提出采用LLC拓?fù)浜碗娏髂Ｊ娇刂频碾娫丛O(shè)計方案，以滿足大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫(yī)療設(shè)備等大功率應(yīng)用的需求。

二、LLC拓?fù)浼捌鋬?yōu)勢

LLC（LLC Resonant Converter）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在200W-600W電源應(yīng)用中相當(dāng)普及，尤其在需要高能效開關(guān)電源的方案中表現(xiàn)出色。LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下顯著優(yōu)勢：

1. 高效率：LLC諧振轉(zhuǎn)換器在中度負(fù)載和滿載時能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，這是由于初級端MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）和次級端整流器的零電流開關(guān)（ZCS）共同作用的結(jié)果。

2. 高可靠性：LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，元器件數(shù)量較少，有助于提升系統(tǒng)的可靠性。

3. 良好的動態(tài)響應(yīng)：LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提供快速的動態(tài)響應(yīng)，從而滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對電源響應(yīng)速度的要求。

4. 低待機能耗：在待機模式下，LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過降低開關(guān)頻率和關(guān)閉部分電路來降低待機能耗。

三、電流模式控制與傳統(tǒng)電壓模式控制的比較

傳統(tǒng)的電壓模式LLC控制器通過次級穩(wěn)壓器改變壓控振蕩器（VCO）頻率來實現(xiàn)穩(wěn)壓。然而，這種方法存在以下限制：

1. 瞬態(tài)響應(yīng)慢：由于沒有直接連接到初級端電流，電壓模式控制器在輸出產(chǎn)生瞬態(tài)變化（如由空載轉(zhuǎn)至滿載）時，瞬態(tài)響應(yīng)會比較慢。

2. 額外的保護電路：電壓模式控制器需要添加額外的電路系統(tǒng)以提供過載及短路保護。

3. 硬開關(guān)問題：LLC啟動行為受諧振回路的元器件、實際的諧振電容電壓、啟動階段的輸出電壓、啟動大電流電壓和初始導(dǎo)通時間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開關(guān)是不太容易的。

相比之下，電流模式控制具有以下優(yōu)勢：

1. 更快速的動態(tài)響應(yīng)：電流模式控制直接監(jiān)測初級端電流，能夠提供更快速的動態(tài)響應(yīng)。

2. 更高的能效：電流模式控制可以提供比電壓模式控制更高的輕載及平均能效。

3. 無需輔助電源：電流模式控制在待機模式下無需輔助電源即可實現(xiàn)超低待機能耗。

四、電流模式控制的LLC AC-DC控制器NCP1399

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。該器件具有以下特點：

1. 600V門極驅(qū)動器：簡化布局并減少外部元件數(shù)。

2. 跳周期模式：提升輕載能效。

3. 集成保護特性：提升系統(tǒng)可靠性。

4. 高能效及超低待機能耗：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，可顯著實現(xiàn)輕載和滿載時的高能效及超低待機能耗。

五、NCP1399的工作原理

NCP1399的工作原理主要包括以下幾個方面：

1. 電流模式控制：由于諧振電容集成初級電流（Iprimary），Vcs電壓與初級電流成正比。在關(guān)斷期間，Vcs電壓有正或負(fù)斜率，且關(guān)斷時的Vcs電壓幾乎是線性地依賴于負(fù)載電流。因此，可以通過Vcs與初級電流的關(guān)系以及Vcs分壓實現(xiàn)電流模式LLC控制。

2. 自動調(diào)節(jié)死區(qū)時間（DeadTime, DT）：DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉導(dǎo)通，從而防止過電流對系統(tǒng)的損毀。NCP1399采用專有方式，當(dāng)檢測到零電壓開關(guān)（ZVS）轉(zhuǎn)換時，dV/dt傳感器監(jiān)測HB引腳斜率，并提供邏輯信號，從而根據(jù)諧振回路參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)DT。

3. 跳周期模式技術(shù)：NCP1399采用專有的跳周期模式技術(shù)，基于FB引腳電壓電平執(zhí)行跳周期模式。當(dāng)VFB降至低于預(yù)選跳周期水平時，IC經(jīng)由專用關(guān)斷序列進入跳周期模式。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。

4. PFC導(dǎo)通/關(guān)斷功能：PFC導(dǎo)通/關(guān)斷功能基于FB引腳電壓監(jiān)測來完成。PFC預(yù)設(shè)的計時器（Timer）用來克服瞬態(tài)期間的問題，三態(tài)輸出控制PFC FB/LLC Brown-Out（BO）分壓器和PFC VCC。這PFC導(dǎo)通/關(guān)斷功能在跳周期模式可降低輕載能耗。

5. 軟啟動和過載保護：NCP1399使用軟啟動計數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)數(shù)字非線性軟啟動序列。過載保護通過FB引腳電壓檢測實現(xiàn)。當(dāng)使用NCP1399發(fā)生次級短路時，F(xiàn)B引腳電壓上升，當(dāng)FB引腳電壓達(dá)到最大值時，故障計時器/計數(shù)器啟動，控制器禁用驅(qū)動脈沖并進入保護模式。

六、NCP1399的典型應(yīng)用

NCP1399有兩個版本：Active OFF關(guān)斷模式（NCP1399Ax）和Active ON關(guān)斷模式（NCP1399Bx）。兩個版本均采用業(yè)界首款6引腳PFC控制器NCP1602，與NCP1399配合成為完整的LLC方案。

1. NCP1399Ax：采用“Skip”引腳調(diào)整進入跳周期模式的負(fù)載狀態(tài)，及偵察到FB電壓低于VB_remote_off時進入關(guān)斷模式。

2. NCP1399Bx：采用內(nèi)部設(shè)定的“跳周期模式”閾值電平（IC內(nèi)部可編程），及運用獨立的光耦制REM引腳而進入關(guān)斷模式。

在具體應(yīng)用中，NCP1399的控制算法如下：

1. 通過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（反映通過初級電流的線路和負(fù)載條件）通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)Mupper導(dǎo)通時間。

4. 然后同樣的導(dǎo)通時間被復(fù)制用于Mlower MOSFET，確保完美對稱的直流。

七、實驗驗證與性能分析

為了驗證NCP1399的性能，進行了相關(guān)實驗。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)輸入電壓為110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內(nèi)時，NCP1399的能效高達(dá)90%以上。這充分證明了該方案在高能效和低待機能耗方面的優(yōu)勢。

八、NCP1399的可編程功能與靈活性

NCP1399內(nèi)置許多可編程功能，包括：

1. 空載期鉗位和故障選項。

2. TSD閾值。

3. 使用可調(diào)節(jié)的閾值選擇Remote和關(guān)斷模式。

4. VCC導(dǎo)通/關(guān)斷閾值。

5. CS偏置和斜率補償增益。

6. 提供CS LEB。

7. 跳周期模式的內(nèi)外閾值。

8. 故障計時器/計數(shù)器及其持續(xù)時間，包括自動恢復(fù)計時器、累積或非累積選擇。

9. OTP/OVP閂鎖或自動恢復(fù)選擇。

10. BO選擇（IBO, VBO, 跳周期期間功能）。

11. 最大導(dǎo)通時間故障檢測（導(dǎo)通時間和閂鎖/自動恢復(fù)）。

12. 啟動序列的第1個Mupper和Mlower脈沖寬度。

13. 軟啟動增量影響軟啟動持續(xù)時間。

14. P ON/OFF功能的激活和滯后以及計時器功能等。

這些可編程功能使得設(shè)計師可以根據(jù)具體應(yīng)用對參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，從而提供設(shè)計靈活性并加快產(chǎn)品上市。

九、結(jié)論

本文介紹了一種基于LLC拓?fù)浜碗娏髂Ｊ娇刂频母吣苄щ娫丛O(shè)計方案。該方案采用安森美半導(dǎo)體的NCP1399控制IC，實現(xiàn)了高能效、低待機能耗和高可靠性。實驗結(jié)果表明，該方案在輸入電壓為110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內(nèi)時，能效高達(dá)90%以上。此外，NCP1399還內(nèi)置了許多可編程功能，使得設(shè)計師可以根據(jù)具體應(yīng)用對參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。因此，該方案在大屏幕電視、一體化電腦、工業(yè)及醫(yī)療等大功率電源系統(tǒng)應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過本文的介紹和分析，可以看出，采用LLC拓?fù)浜碗娏髂Ｊ娇刂频母吣苄щ娫丛O(shè)計方案在大功率應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。該方案不僅提高了電源的能效和可靠性，還降低了待機能耗和成本。隨著科技的不斷進步和電子設(shè)備對電源性能要求的不斷提高，該方案將會得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。