新聞中心

世平集團代理產品線NXP主推TEA1713和TEA1613諧振式電源控制器

 2009-10-28
簡介
分散式數位電源的主要應用領域包括電信基礎設施、手機基站、高端電腦以及資料存儲設備等。這些應用領域不僅對能效的要求越來越高,而且還要求最大限度地提高系統可靠性。 為了在整個功率系統實現上述要求,並「提升」前端電源中已分配的功率鏈,同樣適用此要求。

對於大容量的前端電源, NXP Semiconductors的新一代LLC諧振電源控制器眾望所歸,在實現最大能效的同時還具有無可比擬的穩定性。實現這一切的主要原因在於這款控制器應用了全新逐周的自適應死區控制以及同樣逐周的有效容性模式保護。本文主要描述NXP最新推出的兩款諧振控制器:TEA1713和TEA1613。兩款產品中包含了完全相同的新一代半橋諧振式控制器。其中TEA1713控制器還包含了一個「功率因數校正」(PFC)控制器。

  • 半橋式LLC諧振轉換器
    • 半橋式諧振轉換器拓撲結構簡介

      半橋式諧振轉換器的基本拓撲結構參見圖1。

      圖片1 諧振拓撲
      WPIg_NXP_1_20091028.JPG


      LLC諧振轉換器由一個直流高壓母線供電,供電電壓通常由一個前置的有源「功率因數校正」(PFC)級生成。諧振迴路由一個電容Cr和一個帶漏感Lr和磁化電感Lp的變壓器組成。半橋式控制器(HBC)交替驅動兩個功率場效應管(MOSFET)。其工作頻率決定其電流振幅。在其次級側,高頻交流電壓經整流和過濾後獲得直流輸出電壓(Vout)。

    • 自適應死區控制
      諧振轉換器之所以能夠實現高效率,就是因為MOSFET採用了軟開關,即零電壓開關(ZVS)。在兩個MOSFET切換過程中有足夠長的死區時間,使得半橋式電壓(HB節點)能夠完全上升或下降,因此MOSFET可以通過它們實現零電壓開通。這樣就將開關損耗降到了最低。

      在HB斜坡完成後,初級側電流將流經MOSFET阻值更高的體二極體,直至MOSFET導通。因此,死區時間過長則導致更多的導通損耗。

      HB斜坡的速度以及由此而決定的最佳死區時間,會因頻率、輸出負載、輸入和輸出電壓的不同而有所不同。因此,設計固定死區時間的控制器,無論是內部固定還是外部設置的,都給電源設計師提出了挑戰,即如何選擇恰當的固定死區時間來實現各方面折衷平衡。

      NXP的新一代諧振控制器具備真正逐周自適應死區控制功能。HBC中的先進電路技術可以感知HB斜坡的結束點,能夠在最佳時刻啟動MOSFET且在性能上有保證。請參見圖2,既最大限度地減少了體二極體的導通時間,又確保了軟開關的實現。自適應死區控制功能簡化了諧振電源的設計,同時最大程度地提高了效率。

      圖2 自適應死區控制
      WPIg_NXP_2_20091028.JPG

    • 優化諧振轉換器的啟動

      • 軟啟動平衡
        諧振轉換器需要高頻啟動以確保初始電流處於安全範圍。然後,頻率會直線下降,達到正常工作頻率。這個過程通常稱為軟啟動。而軟啟動過程中頻率下降的速度即是一個折衷平衡:
        • 一方面,軟啟動的頻率下降過程應盡可能快速完成,這樣能夠快速獲得輸出電壓,連接的負載可以儘早工作。
        • 而另一方面,軟啟動的頻率下降速度又需要慢一些,避免出現過高的浪湧電流。

        浪湧電流幅度高低很難預測,因為其取決於輸入電壓、頻率變化速度以及因負載引起的輸出電壓升高。NXP推出的TEA1713和TEA1613兩款諧振控制器具有幾大功能,可以在寬鬆啟動條件範圍內保證啟動過程既快速又安全,處於良好受控狀態。

      • 雙速軟啟動機制
        在軟啟動過程中,頻率下降過程的第一部分,即遠離諧振點的部分,因頻率變化引起的電流變化幅度遠比接近諧振點時的變化幅度小。預期到此變化過程,設計師設計了雙速軟啟動功能。在這種軟啟動過程中,頻率在其下降範圍上半部分的變化速度要比下半部分的速度高出4倍。通過這種方式,實現了一個既快速又得到良好控制的軟啟動功能。

  • 可靠性和安全性
    提高開關電源的可靠性和穩定度是減少顧客退貨及相關非品質成本的關鍵。NXP特別為TEA1613和TEA1713配備了多項保護措施,據此可開發出非常完善的電源應用產品。

    • 容性模式保護
      在這些保護措施中,最重要的當數逐周容性模式保護功能,NXP正在為其申請專利。該功能可以保護功率MOSFET免受因容性模式開關引起的哪怕是最輕微的損害。這樣MOSFET的選擇無需考慮由於容性模式下開關的反向恢復問題。我們可以在電源性能和/堅固性不打折扣的情況選擇一款成本優化的功率MOSFET。

      諧振轉換器一般在感性模式運行,開關頻率高於諧振頻率,通過功率MOSFET的零電壓開關(ZVS)來實現高效率。特殊情況下,如輸出短路、高負載脈衝、母線電壓驟降等,諧振迴路中的諧振頻率偶爾高於工作頻率。這樣會導致諧振迴路呈容性阻抗(容抗)。在容性模式工作狀態下,電流會在MOSFET斷開後繼續流經體二極體,不會隨後在半橋式節點(HB)出現斜坡。此時開通另一個MOSFET會非常危險,因為由MOSFET內部的反向恢復在體二極體上引起的高峰值電流會瞬間將其擊毀。TEA1713和TEA1613採取了三項措施來防止有害的容性模式運行。

      第一是採用了自適應死區時間控制。它將另一個MOSFET的啟動時機延至電流恢復正確極性之後。MOSFET在半橋斜坡結束後啟動,這樣就保證了電流已經恢復至安全正確的極性。請參見圖3。這項措施確保可以避免MOSFET出現危險的反向恢復開啟。

      圖片3 容性模式保護
      WPIg_NXP_3_20091028.JPG

      在容性模式下,可能要花費一半共振週期時間來完成諧振電流恢復至正確極性,同時半橋節點處的斜坡開始出現。要獲得這樣相對較長的等待時間,振盪器的速度將減慢,直至檢測到半橋斜坡開始出現為止。

      第三項措施就是只要檢測到容性模式運行狀態出現,就增加振盪器頻率。這樣就可以將轉換器恢復至安全的感性模式。

    • 帶boost電壓補償的兩級過流保護
      為了防止因負載功率(臨時性)升高而導致器件過熱或變壓器飽和,特別設計了兩級過流保護。一級保護是在開始的低電流時,調節頻率以限制電流。這種過流調節(OCR)也可以在啟動過程中限制電流。如果電流增加過快導致OCR無法調節(例如出現輸出短路)時,會觸發二級高電平保護。二級保護會採用更加激烈的糾正動作,將頻率瞬間升至最高。這就是過流保護(OCP)。

      諧振控制器的電壓通常由PFC提供,且非常穩定。但是,在啟動時、在電壓驟降時或不帶有源PFC電路的系統中,諧振轉換器的輸入電壓可能會低一些。這時,諧振轉換器在輸出同樣功率條件下其初級電流相比要高一些。TEA1713和TEA1613提供了boost電壓補償,可以根據不同的輸入電壓來調整保護級別。因此可以提供更精確的輸出過流保護,更好地保護電源負載,因而增加了安全性。

    • 其他保護
      在TEA1713和TEA1613兩款產品中,還提供了用於設計安全可靠電源所需的延伸保護量。過壓保護(OVP輸出)可以監控輸出電壓並保護負載。開環保護(OLP)可以在關鍵反饋迴路出現故障時發揮作用。有些保護措施通過提高頻率來解決故障。如果某故障無法通過提高頻率得以解決時,高頻保護(HFP)會檢測到這一點並重啟控制器。

      很多保護措施還允許在有限時間內超出保護範圍。對於這些暫時允許的故障,專門集成了一個保護和重啟計時器。當某故障在經過了預定保護時間仍然存在時,控制器會重新啟動。計時器用以設置重啟時間。電源設計師可以通過外接的電容和電阻獨立設定保護和重啟時間。圖4 ,顯示了保護和重啟計時器的工作原理。

      圖片4 保護和重啟計時器
      WPIg_NXP_4_20091028.JPG

  • 打嗝模式
    為了在低功率水準時提高效率,TEA1713和TEA1713還採用了打嗝模式。在打嗝模式下,PFC和HBC的啟動被定期停止,同時PFC的功率FET也被關閉,IC 記住開關頻率。打嗝模式結束後,HBC在記住的開關頻率上恢復啟動,而PFC也進行軟啟動。

    優化的打嗝檢測水準完全取決於HBC從PFC(boost)獲得的輸入電壓。如果出現被動PFC或電壓驟降,此電壓也會出現顯著變化,造成回饋電壓出現重大偏移。為保持打嗝模式正常工作,需要對打嗝參考電平進行補償。TEA1613具有集成的增益補償功能。一個依賴boost電壓的電流從控制器的打嗝檢測輸入端流出。電源設計師可以通過改變外接串聯電阻的值來自由設定最佳補償量。

  • 控制器供電
    • 靈活的控制器供電選擇
      TEA1713和TEA1613為控制器供電提供最大的靈活度。由於採用了集成的高壓啟動源,這款控制器可從任何可用高壓繞組啟動,啟動之後供電就由輔助供電繞組接管,或通過半橋點用電荷泵來供電。之後,該集成高壓啟動源將關閉,減少能耗。此外,控制器還可通過待機電源供電。控制器的供電範圍為15V~38V。集成的串聯調節器將產生一個安全穩定電壓(11V)供門驅動器使用。該電壓也可以作為穩壓或基準電壓供外部電路使用。

    • 控制器供電電壓的自動選擇
      在使用高壓啟動源的系統中,控制器採用較高的啟動電壓(22V)。從較高的啟動電壓到較低停止電壓(15V)的巨大區間裏,控制器依賴緩衝電容供電,直至輔助繞組接手供電。如果電源應用中有單獨的待機電源,也可使用該電源為控制器供電。如果是持續工作,也可以採用低電壓(17V)啟動。控制器採用低電壓啟動可以減少功率耗散。TEA1713和TEA1613會通過檢測是否存在高壓來自動選擇合適的啟動電壓。

    • 輸出電壓欠壓檢測和重啟計時器
      如果在系統中控制器由HBC變壓器供電,當產生超載或短路引起輸出電壓下降時,控制器將自動停止運行,因為此時控制器供電電壓也會下降。當然,如果使用單獨的待機電源為控制器供電,則不會發生這種情況。在這些情況中,集成的輸出電壓欠壓檢測和集成的重啟計時器均發揮了同樣的保護功能。

  • PFC
    • PFC拓撲簡介
      如果功率水平平高於75瓦,則需要削減電源諧波。TEA1713將PFC和諧振控制器集成在一個IC內。這樣就可以實現兩個控制器之間的良好協作,同時由於集成結構最大限度地減少了外部元件數量,因此可以實現極具性價比的電源。

      PFC產生固定高壓,作為諧振轉換器的輸入電壓。這個特別的內置綠色功能可以在所有功率水準上實現高效率,無論在高功率水準時准諧振非連續工作、中功率水準帶跳穀底的准諧振運行,還是在低功率水準的打嗝模式運行。

    • 穀底檢測
      PFC以臨界導通模式運行。為最大限度地減少開關損耗並提高效率,MOSFET在漏極電壓最低時啟動。控制器可以偵測漏極電壓並檢測穀底。參見圖片5。

      圖片5 PFC穀底檢測
      WPIg_NXP_5_20091028.JPG

  • 電源補償
    固定輸出電壓升壓轉換器在不連續模式下的一個主要缺點是其輸入(電源)電壓依賴于環路增益。為補償環路增益的變化,將測量PFC的輸入(電源)電壓並用於自動補償環路,補償係數與1/V輸入2成比例。圖6顯示了有補償和無補償情況下對負載變化的瞬態回應。

    圖片6 PFC電源補償
    WPIg_NXP_6_20091028.JPG

  • NXP控制器
    • TEA1713
      NXP的TEA1713控制器集成度高,適合開發體積小巧、性價比高的系統解決方案。它包含兩個控制器,即功率因數校正(PFC)控制器和諧振半橋式(HBC)控制器。封裝為SO24,它提供了創建一個高效、安全、可靠電源系統(含功率因數轉換器和諧振轉換器)所需的全部功能。

    • TEA1613
      NXP的TEA1613僅含有諧振控制器。適合於不需要TEA1713這樣集成了PFC+HBC組合功能的系統。TEA1613採用SO20 封裝,具有類似TEA1713全部HBC和供電功能。此外,它還集成了打嗝模式檢測功能。通過輸出信號控制外部PFC的切換到打嗝模式。

      憑藉這些產品系列,NXP彰顯了投資開發TEA系列等高能效解決方案的不變決心,同時表明電源效率不斷提高的發展趨勢,由此誕生出更加智慧的IC晶片,從而實現終端產品的節能效果。