詳細介紹諧振控制器
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
現(xiàn)代電子設(shè)備功能越來越多，設(shè)備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來越大。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓撲具有較高效率，很多大功率消費電子產(chǎn)品和計算機都采用了這種電源拓撲，比如：液晶電視、等離子電視和筆記本電腦適配器。恩智浦專業(yè)諧振控制器可以幫助設(shè)計人員打造出高效的諧振電源，不僅在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。本文介紹了恩智浦最新的諧振控制器產(chǎn)品：TEA1713和TEA1613。這兩款器件采用了相同的新一代半橋諧振控制器。
2. 半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器
2.1 半橋諧振轉(zhuǎn)換器拓撲簡介
圖1：諧振拓撲
諧振轉(zhuǎn)換器由直流高壓電源（升壓）供電，直流電源通常由前置PFC轉(zhuǎn)換器部分產(chǎn)生。諧振回路（或LLC回路）由電容器Cr和帶Lr（漏電感）和Lp（勵磁電感）的變壓器組成，由2個高壓MOSFET器件驅(qū)動。半橋控制器(HBC)交替驅(qū)動兩個MOSFET。電流大小由工作頻率決定。二次側(cè)高頻交流電壓通過整流和濾波獲得直流輸出電壓(Vout)。
2.2 自適應(yīng)死區(qū)時間控制
由于MOSFET器件能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，也稱為零電壓開關(guān)(ZVS)，這就為諧振轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效工作提供了可能。如果兩個MOSFET開關(guān)動作之間有足夠長的死區(qū)時間，半橋電壓（HB節(jié)點）可以完全上升或下降，MOSFET即能實現(xiàn)零電壓開關(guān)。通過這種方式可以最大程度降低開關(guān)損耗。
在半橋斜坡（上升沿/下降沿）結(jié)束后，一次側(cè)電流會流過MOSFET內(nèi)較高阻抗的體二極管，直至MOSFET器件打開。因此，死區(qū)時間太長會造成導(dǎo)通損失。
半橋斜坡速度以及死區(qū)時間取決于頻率、輸出負載、輸入和輸出電壓。采用固定死區(qū)時間的控制器，死區(qū)時間無論是內(nèi)部固定還是外部可配置的，電源設(shè)計人員難于找到合適的值。
恩智浦新一代諧振控制器實現(xiàn)了真正的逐周期自適應(yīng)死區(qū)時間控制。HBC控制器先進的電路可以偵測到半橋斜坡結(jié)束點，確保在最佳時機開通MOSFET，實現(xiàn)真正的無損切換。參見圖2，最大程度減少體二極管導(dǎo)通時間的同時實現(xiàn)軟開關(guān)。自適用死區(qū)時間功能簡化了諧振電源設(shè)計，最大程度提高了電源效率。
圖2：自適應(yīng)死區(qū)時間
2.3 諧振轉(zhuǎn)換器優(yōu)化啟動
2.3.1 軟啟動平衡
諧振轉(zhuǎn)換器以高頻啟動，確保起始電流在安全范圍內(nèi)。隨后開始掃頻，頻率逐步降低，直至達到正常工作頻率。這一過程即為軟啟動。軟啟動掃描速度是折衷平衡的結(jié)果：
· 一方面，軟啟動應(yīng)盡可能快，以便迅速達到設(shè)定的輸出電壓。在很多諧振電源設(shè)計中，控制器還通過緩沖電容器由諧振變壓器供電。變壓器輸出電壓的速度越快，所需緩沖電容充電量就越小，有利于降低緩沖電容規(guī)格。
· 另一方面，軟啟動頻率掃描應(yīng)盡可能慢，以避免過大的浪涌電流。浪涌電流幅度取決于輸入電壓、軟啟動掃頻速度以及與負載相關(guān)的輸出電壓上升情況，因此在實際操作中很難預(yù)測。電源設(shè)計人員必須選擇最慢的掃頻速度，以適應(yīng)最大負載時的最壞情況。
恩智浦諧振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各種啟動條件下實現(xiàn)快速、安全、可控啟動。
2.3.2 雙速軟啟動機制
對于掃頻的前半部分，由于電流大小受頻率影響不大，雙速軟啟動機制的掃頻速度要比正常掃頻速度快4倍。前半部分快速描頻可以縮短頻率下降過程，減少啟動時間。
當(dāng)頻率下降接近工作頻率時，由于靠近諧振頻率，電流對頻率變化敏感度提高，電流增速也相應(yīng)提高。減慢后半部分掃頻速度可以控制電流和輸出電壓過沖。
2.3.3 感應(yīng)交流電流實現(xiàn)過流調(diào)整
高的浪涌電流會對地產(chǎn)生干擾，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二極管的額定電流值。通過過流調(diào)節(jié)(OCR)將電流限制在用戶設(shè)定的安全范圍，可以解決這一問題。
OCR可以檢測出一次側(cè)諧振電流，如果該電流超過用戶設(shè)定的電流值，則增大頻率。利用這一功能，電源設(shè)計人員可以根據(jù)典型應(yīng)用條件選擇快速軟啟動速度。對于特殊條件，比如滿載啟動，OCR通過減慢掃頻速度可將電流限制在安全范圍。
OCR通過雙速軟啟動機制控制來頻率，作為兩種有效手段之一，通過這種方法更容易實現(xiàn)穩(wěn)定的電流調(diào)節(jié)。圖3給出了啟動期間輸出電壓上升期OCR被激活示例。
圖3：啟動電流調(diào)節(jié)
第二種大幅提升OCR穩(wěn)定性的方法是對一次交流瞬時電流值進行直接的逐周期檢測。一般的OCR電路采用檢測整流和濾器后產(chǎn)生的直流電壓的方法，該直流電壓代表了控制器的平均電流水平。但這種設(shè)計中的濾波器會產(chǎn)生第二個低頻極點，因此很難建立穩(wěn)定的OCR回路。而對瞬時電流進行直接的交流檢測則無需使用整流器和濾波器，這樣既節(jié)約了元器件成本，提高了OCR穩(wěn)定性，又能增加精度，達到快速過流檢測和響應(yīng)的目的。
2.3.4 縮短高邊第一個脈沖時間
啟動時按正常開通時間打開高邊MOSFET，第一個電流脈沖的幅度會很高，該峰值電流會造成干擾。TEA1713和TEA1613控制器把高邊MOSFET的第一個導(dǎo)通時間縮短為只有正常導(dǎo)通時間的一半，因此原邊電流初始幅度較低，可以快速達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)(圖4)。
a. 通常情況下第一次高邊MOSFET導(dǎo)通時間。 b. 縮短高邊導(dǎo)通時間后有限的峰值電流。
圖4：縮短高邊導(dǎo)通時間后的效果
3. 可靠性和安全性
提升開關(guān)式電源的可靠性與耐用性是減少返修和控制成本的關(guān)鍵因素。為此，恩智浦在TEA1613和TEA1713產(chǎn)品中增加了多重保護功能，為客戶帶來了真正完美的電源解決方案。
3.1容性模式保護
比較獨特的保護功能是恩智浦正在申請專利的逐周期容性模式保護，它能夠有效避免任何因容性模式對功率MOSFET可能造成的損害。有了它設(shè)計人員無須考慮與容性模式開關(guān)相關(guān)的MOSFET的反向恢復(fù)問題。因此，設(shè)計人員選用MOSFET器件時可以進行成本優(yōu)化，不會影響整個電源系統(tǒng)的性能和可靠性。
諧振轉(zhuǎn)換器通常工作在感性模式下，其開關(guān)頻率高于諧振頻率，利用功率MOSFET器件的零電壓切換(ZVS)功能實現(xiàn)電源高效運行。對于輸出短路電流、高脈動負載或市電降壓等特殊情況，諧振回路的諧振頻率短時間會高于工作頻率，這將使得諧振回路變成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET關(guān)閉后電流會持續(xù)流經(jīng)體二極管，半橋節(jié)點(HB)不會出現(xiàn)電壓變化。此時打開另一個MOSFET會非常危險，因為帶體二極管的MOSFET反向恢復(fù)時產(chǎn)生的峰值電流可以瞬時燒毀器件。TEA1713和TEA1613對于危險的容性模式工作提供了三重動作保護。
TEA1713和TEA1613自適應(yīng)死區(qū)時間控制是第一重保護，可以延遲另一個MOSFET器件打開時間，直到電流恢復(fù)正常極性。MOSFET會在半橋斜坡結(jié)束后打開，因此可以確保電流已恢復(fù)正確安全的極性。參見圖5。該功能可以防止MOSFET在體二極管未恢復(fù)時危險的開關(guān)動作。
圖5；容性開關(guān)保護
容性模式發(fā)生后，諧振電流返回正常極性需要半個諧振周期，斜坡發(fā)生在半橋節(jié)點上。為了實現(xiàn)相對較長的等待時間，振蕩器速度減慢直到檢測到半橋斜坡起點。這是第二重保護動作。
第三重保護動作是在容性模式工作期間提高振蕩器頻率。該動作可以使轉(zhuǎn)換器返回安全的感性模式。
3.2 具有補償升壓電壓的兩級過流保護
為了防止（短時）在大功率下運行導(dǎo)致元器件過熱或者變壓器飽和，恩智浦產(chǎn)品采用了兩級過流保護設(shè)計。
第一步：電流較低時，通過調(diào)節(jié)頻率來限制電流。該過流調(diào)節(jié)(OCR)功能在啟動期間同樣可以限制電流。
第二步：如果電流增加太快，OCR無法調(diào)節(jié)，比如輸出短路。此時可采取更為有力的保護措施——立即將開關(guān)頻率提到最高。這一過程也稱為過流保護(OCP)。
諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(升壓后)通常由PFC產(chǎn)生，非常穩(wěn)定。不過，在啟動期間、市電降壓、或者沒有有源PFC的系統(tǒng)中，升壓后的電壓會比較低。因此，對于相同輸出功率的諧振轉(zhuǎn)換器，
評論