新闻中心

世平集团代理产品线NXP主推TEA1713和TEA1613谐振式电源控制器

 2009-10-28
简介
分布式数位电源的主要应用领域包括电信基础设施、手机基站、高端电脑以及资料存储设备等。这些应用领域不仅对能效的要求越来越高,而且还要求最大限度地提高系统可靠性。 为了在整个功率系统实现上述要求,并“提升”前端电源中已分配的功率链,同样适用此要求。

对于大容量的前端电源, NXP Semiconductors的新一代LLC谐振电源控制器众望所归,在实现最大能效的同时还具有无可比拟的稳定性。实现这一切的主要原因在于这款控制器应用了全新逐周的自适应死区控制以及同样逐周的有效容性模式保护。本文主要描述NXP最新推出的两款谐振控制器:TEA1713和TEA1613。两款产品中包含了完全相同的新一代半桥谐振式控制器。其中TEA1713控制器还包含了一个“功率因子校正”(PFC)控制器。

  • 半桥式LLC谐振转换器
    • 半桥式谐振转换器拓扑结构简介

      半桥式谐振转换器的基本拓扑结构参见图1。

      图片1 谐振拓扑
      WPIg_NXP_1_20091028.JPG


      LLC谐振转换器由一个直流高压母线供电,供电电压通常由一个前置的有源“功率因子校正”(PFC)级生成。谐振回路由一个电容Cr和一个带漏感Lr和磁化电感Lp的变压器组成。半桥式控制器(HBC)交替驱动两个功率场效应管(MOSFET)。其工作频率决定其电流振幅。在其次级侧,高频交流电压经整流和过滤后获得直流输出电压(Vout)。

    • 自适应死区控制
      谐振转换器之所以能够实现高效率,就是因为MOSFET采用了软开关,即零电压开关(ZVS)。在两个MOSFET切换过程中有足够长的死区时间,使得半桥式电压(HB节点)能够完全上升或下降,因此MOSFET可以通过它们实现零电压开通。这样就将开关损耗降到了最低。

      在HB斜坡完成后,初级侧电流将流经MOSFET阻值更高的体二极管,直至MOSFET导通。因此,死区时间过长则导致更多的导通损耗。

      HB斜坡的速度以及由此而决定的最佳死区时间,会因频率、输出负载、输入和输出电压的不同而有所不同。因此,设计固定死区时间的控制器,无论是内部固定还是外部设置的,都给电源设计师提出了挑战,即如何选择恰当的固定死区时间来实现各方面折衷平衡。

      NXP的新一代谐振控制器具备真正逐周自适应死区控制功能。HBC中的先进电路技术可以感知HB斜坡的结束点,能够在最佳时刻启动MOSFET且在性能上有保证。请参见图2,既最大限度地减少了体二极管的导通时间,又确保了软开关的实现。自适应死区控制功能简化了谐振电源的设计,同时最大程度地提高了效率。

      图2 自适应死区控制
      WPIg_NXP_2_20091028.JPG

    • 优化谐振转换器的启动

      • 软启动平衡
        谐振转换器需要高频启动以确保初始电流处于安全范围。然后,频率会直线下降,达到正常工作频率。这个过程通常称为软启动。而软启动过程中频率下降的速度即是一个折衷平衡:
        • 一方面,软启动的频率下降过程应尽可能快速完成,这样能够快速获得输出电压,连接的负载可以尽早工作。
        • 而另一方面,软启动的频率下降速度又需要慢一些,避免出现过高的浪涌电流。

        浪涌电流幅度高低很难预测,因为其取决于输入电压、频率变化速度以及因负载引起的输出电压升高。NXP推出的TEA1713和TEA1613两款谐振控制器具有几大功能,可以在宽松启动条件范围内保证启动过程既快速又安全,处于良好受控状态。

      • 双速软启动机制
        在软启动过程中,频率下降过程的第一部分,即远离谐振点的部分,因频率变化引起的电流变化幅度远比接近谐振点时的变化幅度小。预期到此变化过程,设计师设计了双速软启动功能。在这种软启动过程中,频率在其下降范围上半部分的变化速度要比下半部分的速度高出4倍。通过这种方式,实现了一个既快速又得到良好控制的软启动功能。

  • 可靠性和安全性
    提高开关电源的可靠性和稳定度是减少顾客退货及相关非品质成本的关键。NXP特别为TEA1613和TEA1713配备了多项保护措施,据此可开发出非常完善的电源应用产品。

    • 容性模式保护
      在这些保护措施中,最重要的当数逐周容性模式保护功能,NXP正在为其申请专利。该功能可以保护功率MOSFET免受因容性模式开关引起的哪怕是最轻微的损害。这样MOSFET的选择无需考虑由于容性模式下开关的反向恢复问题。我们可以在电源性能和/坚固性不打折扣的情况选择一款成本优化的功率MOSFET。

      谐振转换器一般在感性模式运行,开关频率高于谐振频率,通过功率MOSFET的零电压开关(ZVS)来实现高效率。特殊情况下,如输出短路、高负载脉冲、母线电压骤降等,谐振回路中的谐振频率偶尔高于工作频率。这样会导致谐振回路呈容性阻抗(容抗)。在容性模式工作状态下,电流会在MOSFET断开后继续流经体二极管,不会随后在半桥式节点(HB)出现斜坡。此时开通另一个MOSFET会非常危险,因为由MOSFET内部的反向恢复在体二极管上引起的高峰值电流会瞬间将其击毁。TEA1713和TEA1613采取了三项措施来防止有害的容性模式运行。

      第一是采用了自适应死区时间控制。它将另一个MOSFET的启动时机延至电流恢复正确极性之后。MOSFET在半桥斜坡结束后启动,这样就保证了电流已经恢复至安全正确的极性。请参见图3。这项措施确保可以避免MOSFET出现危险的反向恢复开启。

      图片3 容性模式保护
      WPIg_NXP_3_20091028.JPG

      在容性模式下,可能要花费一半共振周期时间来完成谐振电流恢复至正确极性,同时半桥节点处的斜坡开始出现。要获得这样相对较长的等待时间,振荡器的速度将减慢,直至检测到半桥斜坡开始出现为止。

      第三项措施就是只要检测到容性模式运行状态出现,就增加振荡器频率。这样就可以将转换器恢复至安全的感性模式。

    • 带boost电压补偿的两级过流保护
      为了防止因负载功率(临时性)升高而导致器件过热或变压器饱和,特别设计了两级过流保护。一级保护是在开始的低电流时,调节频率以限制电流。这种过流调节(OCR)也可以在启动过程中限制电流。如果电流增加过快导致OCR无法调节(例如出现输出短路)时,会触发二级高电平保护。二级保护会采用更加激烈的纠正动作,将频率瞬间升至最高。这就是过流保护(OCP)。

      谐振控制器的电压通常由PFC提供,且非常稳定。但是,在启动时、在电压骤降时或不带有源PFC电路的系统中,谐振转换器的输入电压可能会低一些。这时,谐振转换器在输出同样功率条件下其初级电流相比要高一些。TEA1713和TEA1613提供了boost电压补偿,可以根据不同的输入电压来调整保护级别。因此可以提供更精确的输出过流保护,更好地保护电源负载,因而增加了安全性。

    • 其他保护
      在TEA1713和TEA1613两款产品中,还提供了用于设计安全可靠电源所需的延伸保护量。过压保护(OVP输出)可以监控输出电压并保护负载。开环保护(OLP)可以在关键反馈回路出现故障时发挥作用。有些保护措施通过提高频率来解决故障。如果某故障无法通过提高频率得以解决时,高频保护(HFP)会检测到这一点并重启控制器。

      很多保护措施还允许在有限时间内超出保护范围。对于这些暂时允许的故障,专门集成了一个保护和重启计时器。当某故障在经过了预定保护时间仍然存在时,控制器会重新启动。计时器用以设置重启时间。电源设计师可以通过外接的电容和电阻独立设定保护和重启时间。图4 ,显示了保护和重启计时器的工作原理。

      图片4 保护和重启计时器
      WPIg_NXP_4_20091028.JPG

  • 打嗝模式
    为了在低功率水准时提高效率,TEA1713和TEA1713还采用了打嗝模式。在打嗝模式下,PFC和HBC的启动被定期停止,同时PFC的功率FET也被关闭,IC 记住开关频率。打嗝模式结束后,HBC在记住的开关频率上恢复启动,而PFC也进行软启动。

    优化的打嗝检测水准完全取决于HBC从PFC(boost)获得的输入电压。如果出现被动PFC或电压骤降,此电压也会出现显著变化,造成回馈电压出现重大偏移。为保持打嗝模式正常工作,需要对打嗝参考电平进行补偿。TEA1613具有集成的增益补偿功能。一个依赖boost电压的电流从控制器的打嗝检测输入端流出。电源设计师可以通过改变外接串联电阻的值来自由设定最佳补偿量。

  • 控制器供电
    • 灵活的控制器供电选择
      TEA1713和TEA1613为控制器供电提供最大的灵活度。由于采用了集成的高压启动源,这款控制器可从任何可用高压绕组启动,启动之后供电就由辅助供电绕组接管,或通过半桥点用电荷泵来供电。之后,该集成高压启动源将关闭,减少能耗。此外,控制器还可通过待机电源供电。控制器的供电范围为15V~38V。集成的串联调节器将产生一个安全稳定电压(11V)供门驱动器使用。该电压也可以作为稳压或基准电压供外部电路使用。

    • 控制器供电电压的自动选择
      在使用高压启动源的系统中,控制器采用较高的启动电压(22V)。从较高的启动电压到较低停止电压(15V)的巨大区间里,控制器依赖缓冲电容供电,直至辅助绕组接手供电。如果电源应用中有单独的待机电源,也可使用该电源为控制器供电。如果是持续工作,也可以采用低电压(17V)启动。控制器采用低电压启动可以减少功率耗散。TEA1713和TEA1613会通过检测是否存在高压来自动选择合适的启动电压。

    • 输出电压欠压检测和重启计时器
      如果在系统中控制器由HBC变压器供电,当产生超载或短路引起输出电压下降时,控制器将自动停止运行,因为此时控制器供电电压也会下降。当然,如果使用单独的待机电源为控制器供电,则不会发生这种情况。在这些情况中,集成的输出电压欠压检测和集成的重启计时器均发挥了同样的保护功能。

  • PFC
    • PFC拓扑简介
      如果功率水平平高于75瓦,则需要削减电源谐波。TEA1713将PFC和谐振控制器集成在一个IC内。这样就可以实现两个控制器之间的良好协作,同时由于集成结构最大限度地减少了外部元件数量,因此可以实现极具性价比的电源。

      PFC产生固定高压,作为谐振转换器的输入电压。这个特别的内置绿色功能可以在所有功率水准上实现高效率,无论在高功率水准时准谐振非连续工作、中功率水准带跳谷底的准谐振运行,还是在低功率水准的打嗝模式运行。

    • 谷底检测
      PFC以临界导通模式运行。为最大限度地减少开关损耗并提高效率,MOSFET在漏极电压最低时启动。控制器可以侦测漏极电压并检测谷底。参见图片5。

      图片5 PFC谷底检测
      WPIg_NXP_5_20091028.JPG

  • 电源补偿
    固定输出电压升压转换器在不连续模式下的一个主要缺点是其输入(电源)电压依赖于环路增益。为补偿环路增益的变化,将测量PFC的输入(电源)电压并用于自动补偿环路,补偿系数与1/V输入2成比例。图6显示了有补偿和无补偿情况下对负载变化的瞬态回应。

    图片6 PFC电源补偿
    WPIg_NXP_6_20091028.JPG

  • NXP控制器
    • TEA1713
      NXP的TEA1713控制器集成度高,适合开发体积小巧、性价比高的系统解决方案。它包含两个控制器,即功率因子校正(PFC)控制器和谐振半桥式(HBC)控制器。封装为SO24,它提供了创建一个高效、安全、可靠电源系统(含功率因子转换器和谐振转换器)所需的全部功能。

    • TEA1613
      NXP的TEA1613仅含有谐振控制器。适合于不需要TEA1713这样集成了PFC+HBC组合功能的系统。TEA1613采用SO20 封装,具有类似TEA1713全部HBC和供电功能。此外,它还集成了打嗝模式检测功能。通过输出信号控制外部PFC的切换到打嗝模式。

      凭借这些产品系列,NXP彰显了投资开发TEA系列等高能效解决方案的不变决心,同时表明电源效率不断提高的发展趋势,由此诞生出更加智慧的IC芯片,从而实现终端产品的节能效果。