【導(dǎo)讀】在追求高轉(zhuǎn)換效率的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉(zhuǎn)換器(resonant power converter)電路架構(gòu)因其優(yōu)異的效率表現(xiàn),在近年來變得相當(dāng)流行。為了進一步增進 LLC 電源轉(zhuǎn)換器在重載時的工作效率,設(shè)計實例中也紛紛采用了同步整流(synchronous rectification, SR)來減少原本以二極管作為變壓器輸出側(cè)整流組件的功率損耗。此外,針對輕載效率的增進,有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調(diào)變(pulse frequency modulation, PFM),許多專用控制器也提供了輕載控制模式 (Light-load mode) 來減少切換損失。
在追求高轉(zhuǎn)換效率的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉(zhuǎn)換器(resonant power converter)電路架構(gòu)因其優(yōu)異的效率表現(xiàn),在近年來變得相當(dāng)流行。為了進一步增進 LLC 電源轉(zhuǎn)換器在重載時的工作效率,設(shè)計實例中也紛紛采用了同步整流(synchronous rectification, SR)來減少原本以二極管作為變壓器輸出側(cè)整流組件的功率損耗。此外,針對輕載效率的增進,有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調(diào)變(pulse frequency modulation, PFM),許多專用控制器也提供了輕載控制模式 (Light-load mode) 來減少切換損失。
LLC同步整流應(yīng)用電路及工作原理
NCP4318 是適用于 LLC 架構(gòu)的同步整流控制器,其應(yīng)用電路如圖 1所示,而其工作原理則概述如圖 2。NCP4318透過 VD 與 VS 腳位來檢測 SR 功率開關(guān)之汲極(drain, D)與源極(source, S)之間的電位差(VDS),以此決定其 VG 腳位的驅(qū)動信號狀態(tài)。驅(qū)動信號的觸發(fā)分為 DLY_EN 旗標(biāo)為 LOW 或 HIGH 兩種狀況。一般情況下,當(dāng) VD 與 VS 腳位之間的電位差低于 VTH-ON 準(zhǔn)位時,立即將VG輸出為 HIGH。但當(dāng) DLY_EN 旗標(biāo)為 HIGH 時, VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準(zhǔn)位要維持一段 tON-DLY2 的延遲時間,VG 才會輸出為 HIGH。在 VG 輸出為 HIGH 時,透過偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準(zhǔn)位,NCP4318 會將 VG 信號關(guān)斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設(shè)計中是一個變動的值。藉由調(diào)整 VTH-OFF,NCP4318 可以確保從 VG 關(guān)斷到 VD 電壓上升達(dá) VTH-HGH 的時間差,亦即死區(qū)時間(dead time),在不同負(fù)載的狀況下都保持不變。
圖 1 NCP4318基本應(yīng)用電路圖
圖 2 NCP4318基本動作原理
輕載控制模式
許多廠家推出的 LLC 控制專用 IC 都提供了輕載控制模式。雖然其觸發(fā)條件和操作細(xì)節(jié)各有差異,但共通的原理是將一次側(cè)的閘極信號控制為一個經(jīng)過設(shè)計的封包(packet、pattern、package),再調(diào)整封包之間的距離,以實現(xiàn)功率的調(diào)變。這些封包通常具有較短的開頭閘極脈沖(gate pulse),用來將LLC的諧振腔(resonant tank)儲能狀態(tài)操作到能夠傳送能量的狀態(tài),然后再使用后續(xù)的閘極脈沖將能量傳遞到二次側(cè)。以 onsemi 的 NCP13992 系列為例,如圖 3所示,一次側(cè)的閘極信號按照 Q2→Q1→Q2 的順序排列,而封包之間有一段所有閘極信號皆為低準(zhǔn)位的休止(dormant)時間。藉由輕載控制模式,LLC電路可以避免在輕載時被操作在較高的切換頻率(switching frequency),從而降低切換損失(switching loss)。
圖 3 NCP13992/NCP13994的輕載操作模式
兼容性挑戰(zhàn)
當(dāng)一次側(cè)操作為輕載操作模式,二次側(cè)的電流波形會與通常的脈沖頻率調(diào)變相當(dāng)不同。首先,由于一次側(cè)的導(dǎo)通時間會有長短變化,因此二次側(cè)的電流導(dǎo)通時間也會有所變動。此外,并不是每一個一次側(cè)的閘極脈沖都會在二次側(cè)產(chǎn)生導(dǎo)通電流。實際上,視乎不同輕載操作模式的封包設(shè)計,二次側(cè)的電流導(dǎo)通樣態(tài)也會有所不同。有些一次側(cè)閘極脈沖并不會讓二次側(cè)呈現(xiàn)出導(dǎo)通電流,而有些則只會導(dǎo)通部分時間。甚至在休止時間內(nèi),共振腔剩余的電流導(dǎo)通一次側(cè)功率開關(guān)本體二極管(body diode)時,二次側(cè)有時也會有短暫的電流導(dǎo)通。
當(dāng)二次側(cè)導(dǎo)通電流時,首先會讓 SR 功率開關(guān)的本體二極管導(dǎo)通。此時,SR 控制器會偵測到 VD 與 VS 電位差的低準(zhǔn)位,進而送出 VG 脈沖。然而,在輕載操作模式中,二次側(cè)的電流會忽大忽小、忽長忽短、忽有忽無,這對 SR 控制器來說帶來更多挑戰(zhàn)。
參數(shù)調(diào)整策略
幸好,NCP4318 具有可調(diào)整的參數(shù),可以透過調(diào)整其允許調(diào)整的部分參數(shù)來增進其與輕載操作模式的兼容性。以下列出較相關(guān)的參數(shù)及描述其分別的調(diào)整方向:
一、縮短 tON-DLY2
NCP4318 的 tON-DLY2 設(shè)計,究其原由,是為了操作于低于諧振頻率模式(below resonance)的 LLC 電源轉(zhuǎn)換器,在輕載時的二次側(cè)電流導(dǎo)通特性所設(shè)計的機制。只要在觸發(fā)到 NCP4318 的負(fù)電流偵測(SRCINV),或是脈沖跳頻模式(skip mode)時,一次側(cè)無脈沖的時間達(dá)足夠長度(tGRN2-ENT),DLY_EN 旗標(biāo)即會轉(zhuǎn)態(tài)為 HIGH。而負(fù)電流偵測在各種輕載的瞬時過程中都很容易觸發(fā)。例如,重載跳到輕載,或是在輕載時的脈沖跳頻模式的進出過程,都很容易在二次側(cè)電流縮小并縮短其導(dǎo)通時間的切換周期里,觸發(fā)到負(fù)電流偵測。因此,在輕載狀況下,NCP4318 的 DLY_EN 旗標(biāo)通常為 HIGH。
圖 4 低于諧振頻率模式的輕載二次側(cè)電流典型特性
對于具有輕載操作模式的控制器,設(shè)計上通常會讓應(yīng)該導(dǎo)通電流的閘極脈沖都能導(dǎo)通相當(dāng)?shù)碾娏鳎總€脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長,而是更近于高于諧振頻率模式(above resonance)的波形。因此,如圖 4那樣需要相當(dāng)長度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見于輕載操作模式?;谠鲞M SR 功率開關(guān)的利用率的考慮,建議將 tON-DLY2 參數(shù)設(shè)定得較短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短可以設(shè)定到240 ns。
二、縮小 KTON1/2、tINV
由于在切換的過程容易伴隨如圖 5所示的噪聲,這些噪聲可能會使 VDS 高過 VTH-OFF。因此,NCP4318 設(shè)計了最短導(dǎo)通時間(tON-MIN)來防止 VG 脈沖被過早地關(guān)斷。NCP4318 的最短導(dǎo)通時間設(shè)計為基于前一個切換周期所測得的同步整流導(dǎo)通時間(SRCOND[n-1])的一個固定比例。這個比例取決于 DLY_EN 旗目標(biāo)狀態(tài),可以是 KTON1 或 KTON2 ,如圖 2所示。在最短導(dǎo)通時間內(nèi),VTH-OFF 會被無效化,但 VG 仍然可以透過保護機制(例如SRCINV)來關(guān)斷。然而,透過保護機制關(guān)斷 VG,總是需要多滿足一段延遲時間(delay time),這會使關(guān)斷時間稍晚一些。SRCINV 的延遲時間為tINV。如果 SR 閘極信號因為其開關(guān)導(dǎo)通的電流由正轉(zhuǎn)負(fù)而需要被關(guān)斷,多等一段時間,也就讓負(fù)電流多累積一點時間,將在關(guān)斷時造成同步整流功率開關(guān)上較大電壓應(yīng)力。
因為輕載操作模式的電流導(dǎo)通時間會忽長忽短,為了避免其中由長變短時,短的導(dǎo)通時間落入 tON-MIN 之內(nèi),您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設(shè)定得短一點。NCP4318 所提供的最短參數(shù)設(shè)定為 KTON1=34%、KTON2=17%。
另外,如果一次側(cè)的短脈寬可調(diào)整,也建議將它調(diào)整得比 KTON2 還長一些。如果一次側(cè)的短脈寬無法稍微拉長,難免還是會需要透過 SRCINV 來關(guān)斷 VG 的狀況。因此,您可以將 SRCINV 的延遲時間設(shè)定得短一點。但是,要注意不要短得讓如圖 5的噪聲觸發(fā)了 SRCINV。NCP4318 的 tINV 可設(shè)定范圍為170 ~ 620 ns。
圖 5 VG導(dǎo)通時的VDS噪聲
三、縮短 tOFF-MIN
通常在一個閘極脈沖剛關(guān)斷的時候,為了防止受到噪聲影響而誤觸了導(dǎo)通的動作,我們會在關(guān)斷之后加上一段最短關(guān)斷時間(tOFF-MIN),以確保閘極信號的關(guān)斷狀態(tài)至少維持這么一段時間。在圖 3中提到,輕載操作模式通常是在封包之間插入休止時間來調(diào)整能量傳遞。封包里的第一個脈沖和最后一個脈沖通常都落在同一個閘極信號上,例如圖 3的例子是在 Q2。連續(xù)兩個 Q2 脈沖,如果休止時間比較短,同一個 SR 功率開關(guān)可能需要在關(guān)斷不久后又立即開通。因此,您可以把 NCP4318 的 tOFF-MIN 設(shè)定為較短的選項。例如,低頻版本(NCP4318xLx)的 tOFF-MIN 參數(shù)為 2 μs,您可以另外選擇 700 ns;而高頻版本(NCP4318xHx)的 tOFF-MIN 參數(shù)為 1 μs,您可以另外選為 500 ns。
圖 6 tOFF-MIN使VG無法實時開通
綜上所述,搭配輕載操作模式,建議的 NCP4318 參數(shù)挑選為短 tON-DLY2、小 KTON、短 tINV 和短 tOFF-MIN。在本文撰寫時,尚無單一版本的 NCP4318 將以上所提到的所有參數(shù)調(diào)整到極致。根據(jù)本文撰寫時 NCP4318 的規(guī)格手冊,目前所有版本的 tON-DLY2 都是最短的設(shè)定。具有較小的 KTON 的版本有 NCP4318ALGP。至于 tINV,最短設(shè)定的版本包括有 NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而 tOFF-MIN 設(shè)定為較短值的版本則包括 NCP4318ALS。
NCP4318的參數(shù)調(diào)整方式是封裝后程控(in-package programming)。目前的產(chǎn)品方針是將每一種不同設(shè)定做成個別可定購零件編號(orderable part number, OPN)。如果您有客制參數(shù)設(shè)定的需求,可以與當(dāng)?shù)氐?onsemi 業(yè)務(wù)代表或產(chǎn)品代理商聯(lián)系。
表 1 NCP4318在本文寫作當(dāng)下的可定購版本列表
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