諧振控制器和PFC控制器介紹

　　1. 簡介

　　現代電子設備功能越來越多。比如計算機性能不斷提升，電視屏幕越來越大。但是，增加設備功能通常會帶來高功耗，不利于環境保護。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。恩智浦專業諧振控制器可以幫助設計人員打造出高效的諧振電源。恩智浦除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，而TEA1713諧振控制器還集成了功率因數校正(PFC)控制器。

　　2. 半橋LLC諧振轉換器

　　2.1 半橋諧振轉換器拓撲簡介

　　圖1：諧振拓撲

　　諧振轉換器由直流高壓電源(升壓)供電，直流電源通常由前置PFC轉換器部分產生。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器件驅動。半橋控制器(HBC)交替驅動兩個MOSFET。電流大小由工作頻率決定。二次側高頻交流電壓通過整流和濾波獲得直流輸出電壓(Vout)。

　　2.2 自適應死區時間控制

　　由于MOSFET器件能夠實現軟開關，也稱為零電壓開關(ZVS)，這就為諧振轉換器實現高效工作提供了可能。如果兩個MOSFET開關動作之間有足夠長的死區時間，半橋電壓(HB節點)可以完全上升或下降，MOSFET即能實現零電壓開關。通過這種方式可以最大程度降低開關損耗。

　　在半橋斜坡(上升沿/下降沿)結束后，一次側電流會流過MOSFET內較高阻抗的體二極管，直至MOSFET器件打開。因此，死區時間太長會造成導通損失。

　　半橋斜坡速度以及死區時間取決于頻率、輸出負載、輸入和輸出電壓。采用固定死區時間的控制器，死區時間無論是內部固定還是外部可配置的，電源設計人員難于找到合適的值。

　　恩智浦新一代諧振控制器實現了真正的逐周期自適應死區時間控制。HBC控制器先進的電路可以偵測到半橋斜坡結束點，確保在最佳時機開通MOSFET，實現真正的無損切換。參見圖2，最大程度減少體二極管導通時間的同時實現軟開關。自適用死區時間功能簡化了諧振電源設計，最大程度提高了電源效率。

　　圖2：自適應死區時間

　　2.3 諧振轉換器優化啟動

　　2.3.1 軟啟動平衡

　　諧振轉換器以高頻啟動，確保起始電流在安全范圍內。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果：

　　· 一方面，軟啟動應盡可能快，以便迅速達到設定的輸出電壓。在很多諧振電源設計中，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格。

　　· 另一方面，軟啟動頻率掃描應盡可能慢，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的輸出電壓上升情況，因此在實際操作中很難預測。電源設計人員必須選擇最慢的掃頻速度，以適應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 感應交流電流實現過流調整

　　高的浪涌電流會對地產生干擾，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二極管的額定電流值。通過過流調節(OCR)將電流限制在用戶設定的安全范圍，可以解決這一問題。

　　OCR可以檢測出一次側諧振電流，如果該電流超過用戶設定的電流值，則增大頻率。利用這一功能，電源設計人員可以根據典型應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穩定的電流調節。圖3給出了啟動期間輸出電壓上升期OCR被激活示例。

　　圖3：啟動電流調節

　　第二種大幅提升OCR穩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。但這種設計中的濾波器會產生第二個低頻極點，因此很難建立穩定的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，這樣既節約了元器件成本，提高了OCR穩定性，又能增加精度，達到快速過流檢測和響應的目的。

　　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的第一個導通時間縮短為只有正常導通時間的一半，因此原邊電流初始幅度較低，可以快速達到穩定的工作狀態(圖4)。

　　a. 通常情況下第一次高邊MOSFET導通時間。

　　b. 縮短高邊導通時間后有限的峰值電流。

　　圖4：縮短高邊導通時間后的效果

　　3. 可靠性和安全性

　　提升開關式電源的可靠性與耐用性是減少返修和控制成本的關鍵因素。為此，恩智浦在TEA1613和TEA1713產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。有了它設計人員無須考慮與容性模式開關相關的MOSFET的反向恢復問題。因此，設計人員選用MOSFET器件時可以進行成本優化，不會影響整個電源系統的性能和可靠性。

　　諧振轉換器通常工作在感性模式下，其開關頻率高于諧振頻率，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關閉后電流會持續流經體二極管，半橋節點(HB)不會出現電壓變化。此時打開另一個MOSFET會非常危險，因為帶體二極管的MOSFET反向恢復時產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自適應死區時間控制是第一重保護，可以延遲另一個MOSFET器件打開時間，直到電流恢復正常極性。MOSFET會在半橋斜坡結束后打開，因此可以確保電流已恢復正確安全的極性。參見圖5。該功能可以防止MOSFET在體二極管未恢復時危險的開關動作。

　　圖5;容性開關保護

　　容性模式發生后，諧振電流返回正常極性需要半個諧振周期，斜坡發生在半橋節點上。為了實現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)在大功率下運行導致元器件過熱或者變壓器飽和，恩智浦產品采用了兩級過流保護設計。

　　第一步：電流較低時，通過調節頻率來限制電流。該過流調節(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無法調節，比如輸出短路。此時可采取更為有力的保護措施——立即將開關頻率提到最高。這一過程也稱為過流保護(OCP)。

　　諧振轉換器的輸入電壓(升壓后)通常由PFC產生，非常穩定。不過，在啟動期間、市電降壓、或者沒有有源PFC的系統中，升壓后的電壓會比較低。因此，對于相同輸出功率的諧振轉換器，一次側的電流會很高。TEA1713和TEA1613具有補償升壓電壓功能，能夠針對不同輸入電壓水平調整保護級別，因而可以提供更為準確的輸出過流保護，增強電源負載保護能力，提高電源的使用安全。

　　圖6給出了帶升壓電壓補償的OCR和OCP工作原理圖。與升壓后電壓相關的電流從諧振控制器電流檢測引腳流入/流出。利用外部串聯電阻，設計人員可以自由設定補償量。

　　圖6：OCR和OCP的升壓補償

　　3.3 其他保護

　　TEA1713和TEA1613通過多重保護實現安全可靠的電源設計。過壓保護(OVP輸出)監控輸出電壓，保護負載。當反饋回路出現故障時，開環保護(OLP)動作。部分保護功能通過提高頻率解決故障。如果增大頻率無法解除故障，高頻保護(HFP)將會探測到該故障并重新啟動控制器。

　　有些保護，當超過保護電平時，可允許系統在有限的時間內工作。針對短時超限故障，系統集成了保護和重啟定時器。如果超過預設時間后故障仍然存在，則控制器重新啟動。定時器還可以設定重啟時間。電源設計人員可以通過外部電容器和電阻器自行設定保護和重啟時間。圖7給出了保護和重啟定時器的工作原理圖。

　　圖7：保護和重啟計時器

　　4. 打嗝模式

　　有些應用，比如電源適配器，對輕載時的效率或空載下損耗有很高要求。打嗝模式是滿足此類要求的好方法。在打嗝模式中，轉換器工作較短時間后會有一個較長時間無動作過程?？s短開關時間可以顯著減少開關和導通損失。

　　TEA1713和TEA1613控制器支持打嗝模式。激活打嗝模式可以控制PFC和HBC的開與關。對于HBC，兩個MOSFET器件均關閉時控制器可記住開關頻率。打嗝模式關閉后，HBC以相同頻率繼續執行開關動作。PFC以軟啟動開始工作。用外部控制器拉低TEA1713輸出電壓檢測腳的電平，使HBC或HBC+PFC進入打嗝模式關閉狀態。這種方法可以讓設計人員更靈活地設計出更出色的激活打嗝模式的解決方案。

　　打嗝模式可以通過HBC反饋信號進行控制。利用比較器對比反饋信號與參考信號，可以產生打嗝模式開/閉信號。輸出電壓保持在可控范圍內。TEA1613集成了打嗝模式比較器，可以通過外部電阻分壓器設置優化打嗝電壓。

　　打嗝電壓檢測點與來自PFC(升壓)的HBC輸入電壓很有關系。對于使用無源PFC或者直接從市電降壓情況，此電壓會大幅波動，造成反饋電壓大漂移。為了保證打嗝模式正常運行，最好要對打嗝參考電壓進行補償。為此，有時需要外接電阻連到升壓電壓，但該電阻容易增大功耗。TEA1613集成了升壓電壓補償，與升壓電壓相關的電流從控制器打嗝檢測輸入端流出。電源設計人員可根據外部串聯電阻器值，自由設定優化補償量。

　　圖8：突發模式

　　5. 控制器電源

　　5.1 靈活的控制器供電電源

　　TEA1713和TEA1613的供電電源來源非常靈活，可以采用變壓器輔助繞組供電、PFC或市電整流后的高壓供電，分立的待機電源供電，或者HB節點dV/dt供電。以下幾種功能是實現TEA1713和TEA1613靈活電源形式的基礎：

　　5.2 高壓啟動電源

　　高壓啟動電源從高壓升壓部分汲取電流，為控制器電源的緩沖電容器進行初始充電。當控制器電源充電結束后，半橋轉換器開始工作，控制器即可通過變壓器輔助繞組供電。隨后集成的高壓啟動電源關閉，以減少功耗。這一點與采用外置啟動電阻(泄漏電阻)的傳統解決方案相比優勢明顯，因為外置電阻器會不斷產生功耗。要獲得出色的輕載效率，降低功耗至關重要。

　　5.3 控制器電源啟動電壓的自動選擇

　　對于使用高壓啟動電源的系統，建議控制器電源采用高啟動電壓 (22V)。大的電壓差(停止電壓15V)可以使控制器在輔助繞組接管前通過緩沖電容器充電工作。

　　對于有獨立待機電源的系統，可通過待機電源給控制器供電。由于待機電源具有連續穩定性，因此可以采用較低的啟動電壓(17V)。降低控制器啟動電壓可降低功耗。

　　TEA1713和TEA1613通過檢測高壓可以自動選擇合適的啟動電壓。

　　5.4 較寬控制器電源工作電壓范圍

　　由于負載不同，變壓器輔助繞組供電電壓變化很大。TEA1713和TEA1613可承受15-38V電壓波動，完全滿足輔助繞組供電要求。內部集成串聯調壓器可產生穩定安全的11V電壓供門極驅動器使用。由于無需外部串聯調壓器，可進一步降低外部器件使用成本。調整后穩定的電壓可作為外部電路基準電壓。

　　5.5 輸出欠壓檢測和重啟計時器

　　對于使用HBC變壓器供電的控制器系統，當輸出電壓因過載或短路原因下降時，由于控制器輸入電壓也會降低，因此控制器會自動停止工作。如果控制器使用獨立的待機電源，則不會自動停止工作。TEA1713和TEA1613集成了欠壓檢測測功能，可以對變壓器輔助繞組輸出電壓進行檢測。另外，由于集成了重啟定時器，可以實現同樣的保護功能。

　　5.6 禁用控制器

　　對于液晶電視和等離子電視，當電視開機時諧振電源成為主電源。當電視關閉時，功耗必須盡可能低。TEA1713和TEA1613都提供了專用使能輸入引腳，可禁用內部電源，將控制器的消耗電流控制在最小狀態?？刂破鞯慕霉δ苁瓜到y無需再用昂貴的機械式繼電器來關閉諧振電源。

　　6. PFC

　　6.1 PFC拓撲簡介

　　諧振電源通常用于大功率系統。對于大功率應用，一般要降低電源諧波。有源功率因數校正電路是此類問題的有效解決方案。TEA1713在單一芯片中集成了PFC控制器和諧振控制器。兩種控制器集成后配合更方便，最大程度減少了外部器件數量(無需連接控制器接口)，為用戶實現低成本高效的電源解決方案提供了可能。

　　PFC由升壓拓撲電路構成(圖9)。該拓撲形式可以產生恒定的高壓，作為后續諧振轉換器的輸入電壓。特殊的內置綠色功能可以實現各個功率級別的高效運行，支持大功率輸出。準諧振非連續工作模式，帶波谷跳躍和中 功率輸出的準諧振工作模式和低功率輸出打嗝模式。

　　圖9：PFC拓撲

　　6.2 波谷檢測

　　PFC工作在臨界導通模式下。最大程度地減少開關損耗和提高效率，MOSFET在漏極電壓最低時打開?？刂破骺梢詸z測漏極電壓和波谷(圖10)。

　　圖10：PFC波谷檢測

　　6.3 母線電壓補償

　　固定輸出電壓升壓轉換器在非連續導通模式下的主要缺點是其環路增益依賴于輸入(市電)電壓。為補償環路增益變化，需要測量PFC的輸入(市電)電壓?？刂破鲀炔渴褂靡粋€與1/Vmains2成正比的因數來補償調節環路。圖11顯示了帶/不帶環路補償條件下負載變化產生的瞬時響應。

　　c.無市電補償

　　d. 有市電補償

　　圖11：市電補償改善瞬時響應

　　7. 恩智浦的控制器

　　7.1 TEA1713

　　高度集成的恩智浦TEA1713適用于小型低本高效的系統解決方案，由功率因數校正(PFC)控制器和諧振半橋(HBC)控制器構成。該產品采用24針SO封裝形式，通過集成功率因素校正轉換器和諧振轉換器，為打造功能完備，高效、安全、可靠的電源提供了可能。

　　7.2 TEA1613

　　恩智浦TEA1613為純諧振控制器。如果實際應用不適合采用集成PFC和HBC控制器的TEA1713器件，可以考慮TEA1613。該產品采用20針SO封裝，具有TEA1713所有的HBC和供電功能。此外，TEA1613還集成了打嗝模式檢測功能，在打嗝模式中，利用輸出信號可停止外部PFC開關。