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世平集團代理之 ON Semiconductor 基於 NCP1399 推出大功率應用的高能效電源配置方案

 2017-10-25

LLC拓撲在200 W-600 W電源應用中相當普及,尤其在需要高能效開關電源的方案。有別于市場上採用傳統電壓控制工作模式的`LLC方案,安森美半導體的NCP1399是業界首款採用電流控制模式的LLC AC-DC控制IC。該器件應用600 V門極驅動器簡化佈局並減少外部元件數,採用跳週期模式提升輕載能效,並集成一系列保護特性以提升系統可靠性,用於大螢幕電視、一體化電腦、工業及醫療等大功率電源系統應用,可顯著實現輕載和滿載時的高能效及超低待機能耗。

 

傳統電壓模式LLC的限制

傳統的電壓模式LLC控制器是通過次級穩壓器改變壓控振盪器(VCO)頻率,從而實現穩壓。由於沒有直接連接到初級端電流,所以需要添加額外的電路系統以提供超載及短路保護。當輸出產生瞬態變化(如由空載轉至滿載) 時,瞬態回應會比較慢。而且,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通時間等初始條件影響,在所有條件下避免硬開關是不太容易的。當應用進入待機模式時,為降低待機能耗,系統會關閉PFC及LLC,但同時需要系統裡有輔助電源來維持MCU及周邊元器件待機時的最低工作條件,增加了系統成本。

 

電流模式LLC的優勢

相同條件下,電流模式LLC可提供比傳統電壓模式LLC高得多的 fo從這波特圖可以看出。

  

因此,在動態負載回應方面,電流模式LLC比電壓模式LLC提供更低壓降、更低過沖(overshoot)和更快穩定響應;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有關的Vout 紋波甚至可以忽 略不計;在線形瞬態方面,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 應用原理及電流模式控制演算法

NCP1399有Active OFF 關斷模式 (NCP1399Ax) 和Active ON關斷模式 (NCP1399Bx)兩個版本。如圖2 所示,兩個版本均採用業界首款6引腳PFC控制器NCP1602,與NCP1399配合成為完整的LLC方案。PFC運行由NCP1399經由VCC控制,PFC FB和 LLC BO 的電阻分壓是共用的,這共用也是可關斷的。NCP1399Ax採用”Skip”引腳調整進入跳週期模式的負載狀態,及偵察到FB電壓低於VB_remote_off時進入關斷模式;NCP1399Bx則採用內部設定的“跳週期模式”閾值電平 (IC內部可程式設計),及運用獨立的光耦制REM 引腳而進入關斷模式。

NCP1399典型應用原理圖 :

 

 

NCP1399功能描述

由於諧振電容集成初級電流(Iprimary),所以Vcs電壓與初級電流成正比,而在關斷期間,Vcs電壓有正或負斜率,再者,關斷時的Vcs電壓幾乎是線性地依賴於負載電流,而Vcs關斷電壓曲線隨Vbulk變化,故可通過Vcs與初級電流的關係以及Vcs分壓實現電流模式LLC控制。具體控制演算法為: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FB引腳電壓和Vcs電壓斜率(反映通過初級電流的線路和負載條件)通過系統自動調節Mupper導通時間;4)然後同樣的導通時間被複製用於Mlower MOSFET,確保完美對稱的直流。

                                                

 

NCP1399器件特性

 

NCP1399如何實現高能效及超低待機能耗

 

自動調節死區時間(DeadTime, DT)

DT期的作用在於避免功率MOSFET的交叉導通,從而防止過電流對系統的損毀。固定的DT期通常用於使能諧振轉換器,但由於勵磁電流隨線性和負載條件變化,採用固定的DT期不能確保最佳的運行條件。NCP1399採用專有方式,當檢測到零電壓開關(ZVS)轉換,dV/dt感測器監測HB引腳斜率,並提供邏輯信號,從而根據諧振回路參數優化調節DT。

 

跳週期模式

由於初級端MOSFET的ZVS和次級端整流器的ZCS(零電流開關),LLC諧振轉換器可在中度負載和滿載時達到最高能效。但在輕載和空載條件下,如果採用普通的頻率調製控制技術會產生不小的能耗。NCP1399採用專有的跳週期模式技術,盡可能地提升輕載能效並降低雜訊。它基於FB引腳電壓電平執行跳週期模式,跳週期比較器將FB引腳電壓和預選值進行比較,當VFB降至低於預選跳週期水準,IC經由專用關斷序列進入跳週期模式。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,由於NCP1399總是以特定的方式進入跳週期模式,這運行總是被Mlower驅動脈衝以導通時間等於Fmax的3/2時(或最後一個Mupper脈衝的3/2)結束,因此諧振電容電壓保持為Vbulk*1/4 ,從而降低開關損耗。當FB引腳電壓內部增加預選滯後,IC回到正常運行模式,Mlower的第一個脈衝被延長,對自舉(bootstrap)電容進行再充電,並激勵諧振回路以準備ZVS條件用於後續的Mupper導通進程,接下來的Mlower脈衝基於導通時間CMP信號而被延長。

 

PFC導通/關斷功能

PFC 導通/關斷功能基於FB引腳電壓監測來完成 。PFC預設的計時器(Timer)用來克服瞬態期間的問題,三態輸出控制PFC FB/LLC Brown-Out (BO)分壓器和PFC VCC。這PFC導通/關斷功能在跳週期模式可降低輕載能耗。

 

NCP1399器件優勢

 

NCP1399 專有的控制提供強固的保護

  • 專有啟動序列

在諧振開關電源應用中可能會出現硬開關啟動。NCP1399 使用特定啟動方案,確保在

任何啟動條件下的穩固的、無硬開關的啟動。NCP1399使用軟啟動計數器和D/A轉換器,實現數位非線性軟啟動序列。

  • 超載保護

超載保護通過FB引腳電壓檢測實現。導通時間比較器定義了比較值以控制導通時間。

當使用NCP1399發生次級短路時,FB引腳電壓上升,當FB引腳電壓達到最大值時,故障計時器/計數器啟動,控制器禁用驅動脈衝並進入保護模式。

  • 內置可程式設計功能

NCP1399 內置許多可程式設計功能,包括:空載期鉗位元元和故障選項、TSD閾值、使用可調

節的閾值選擇Remote和關斷模式、VCC導通/關斷閾值、CS偏置和斜率補償增益、提供CS LEB 、跳週期模式的內外閾值、故障計時器/計數器及其持續時間—包括自動恢復計時器、累積或非累積選擇、OTP/OVP 閂鎖或自動恢復選擇、BO 選擇 (IBO, VBO, 跳週期期間功能)、最大導通時間故障檢測 (導通時間和閂鎖/自動恢復)、啟動序列的第1個Mupper和Mlower脈衝寬度、軟啟動增量影響軟啟動持續時間、P ON/OFF功能的啟動和滯後以及計時器功能等,可在不同應用中根據具體情況將參數進行適當調整和優化,提供了設計靈活性並加快產品上市。

 

 

 

評估板能效測試

下圖顯示,當輸入電壓為110 V和230 V,輸出電流在0-20 A範圍內時,NCP1399的能效高達90%以上。

 

安森美半導體推出的LLC AC-DC控制器NCP1399採用電流模式控制,突破電壓模式控制的諸多限制,具有更瞬速的動態反應,提供更高的輕載及平均能效,並且無需輔助電源就能實現待機模式的超低待機能耗,從而降低成本,它採用可靠的開機啟動模式,並集成超載保護、過流保護以避免硬開關,以及欠壓檢測、開路光耦檢測、自動DT調節、過壓保護和過溫保護等一系列保護特性,保證系統可靠性。設計師還可利用NCP1399 內置的可程式設計功能,根據具體應用對參數進行調整和優化,為大屏電視、一體化電腦等大功率應用設計出高能效、超低待機能耗的電源系統。