你的位置:首頁(yè) > 電源管理 > 正文

增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略

發(fā)布時(shí)間:2024-06-18 責任編輯:lina

【導讀】在追求高轉換效率的電源轉換器應用中,采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉換器(resonant power converter)電路架構因其優(yōu)異的效率表現,在近年來(lái)變得相當流行。為了進(jìn)一步增進(jìn) LLC 電源轉換器在重載時(shí)的工作效率,設計實(shí)例中也紛紛采用了同步整流(synchronous rectification, SR)來(lái)減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外,針對輕載效率的增進(jìn),有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變(pulse frequency modulation, PFM),許多專(zhuān)用控制器也提供了輕載控制模式 (Light-load mode) 來(lái)減少切換損失。


在追求高轉換效率的電源轉換器應用中,采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉換器(resonant power converter)電路架構因其優(yōu)異的效率表現,在近年來(lái)變得相當流行。為了進(jìn)一步增進(jìn) LLC 電源轉換器在重載時(shí)的工作效率,設計實(shí)例中也紛紛采用了同步整流(synchronous rectification, SR)來(lái)減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外,針對輕載效率的增進(jìn),有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變(pulse frequency modulation, PFM),許多專(zhuān)用控制器也提供了輕載控制模式 (Light-load mode) 來(lái)減少切換損失。

LLC同步整流應用電路及工作原理

NCP4318 是適用于 LLC 架構的同步整流控制器,其應用電路如圖  1所示,而其工作原理則概述如圖  2。NCP4318透過(guò) VD 與 VS 腳位來(lái)檢測 SR 功率開(kāi)關(guān)之汲極(drain, D)與源極(source, S)之間的電位差(VDS),以此決定其 VG 腳位的驅動(dòng)信號狀態(tài)。驅動(dòng)信號的觸發(fā)分為 DLY_EN 旗標為 LOW 或 HIGH 兩種狀況。一般情況下,當 VD 與 VS 腳位之間的電位差低于 VTH-ON 準位時(shí),立即將VG輸出為 HIGH。但當 DLY_EN 旗標為 HIGH 時(shí), VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準位要維持一段 tON-DLY2 的延遲時(shí)間,VG 才會(huì )輸出為 HIGH。在 VG 輸出為 HIGH 時(shí),透過(guò)偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準位,NCP4318 會(huì )將 VG 信號關(guān)斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設計中是一個(gè)變動(dòng)的值。藉由調整 VTH-OFF,NCP4318 可以確保從 VG 關(guān)斷到 VD 電壓上升達 VTH-HGH 的時(shí)間差,亦即死區時(shí)間(dead time),在不同負載的狀況下都保持不變。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 1 NCP4318基本應用電路圖

增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 2 NCP4318基本動(dòng)作原理


輕載控制模式

許多廠(chǎng)家推出的 LLC 控制專(zhuān)用 IC 都提供了輕載控制模式。雖然其觸發(fā)條件和操作細節各有差異,但共通的原理是將一次側的閘極信號控制為一個(gè)經(jīng)過(guò)設計的封包(packet、pattern、package),再調整封包之間的距離,以實(shí)現功率的調變。這些封包通常具有較短的開(kāi)頭閘極脈沖(gate pulse),用來(lái)將LLC的諧振腔(resonant tank)儲能狀態(tài)操作到能夠傳送能量的狀態(tài),然后再使用后續的閘極脈沖將能量傳遞到二次側。以 onsemi 的 NCP13992 系列為例,如圖  3所示,一次側的閘極信號按照 Q2→Q1→Q2 的順序排列,而封包之間有一段所有閘極信號皆為低準位的休止(dormant)時(shí)間。藉由輕載控制模式,LLC電路可以避免在輕載時(shí)被操作在較高的切換頻率(switching frequency),從而降低切換損失(switching loss)。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 3 NCP13992/NCP13994的輕載操作模式


兼容性挑戰

當一次側操作為輕載操作模式,二次側的電流波形會(huì )與通常的脈沖頻率調變相當不同。首先,由于一次側的導通時(shí)間會(huì )有長(cháng)短變化,因此二次側的電流導通時(shí)間也會(huì )有所變動(dòng)。此外,并不是每一個(gè)一次側的閘極脈沖都會(huì )在二次側產(chǎn)生導通電流。實(shí)際上,視乎不同輕載操作模式的封包設計,二次側的電流導通樣態(tài)也會(huì )有所不同。有些一次側閘極脈沖并不會(huì )讓二次側呈現出導通電流,而有些則只會(huì )導通部分時(shí)間。甚至在休止時(shí)間內,共振腔剩余的電流導通一次側功率開(kāi)關(guān)本體二極管(body diode)時(shí),二次側有時(shí)也會(huì )有短暫的電流導通。

當二次側導通電流時(shí),首先會(huì )讓 SR 功率開(kāi)關(guān)的本體二極管導通。此時(shí),SR 控制器會(huì )偵測到 VD 與 VS 電位差的低準位,進(jìn)而送出 VG 脈沖。然而,在輕載操作模式中,二次側的電流會(huì )忽大忽小、忽長(cháng)忽短、忽有忽無(wú),這對 SR 控制器來(lái)說(shuō)帶來(lái)更多挑戰。

參數調整策略

幸好,NCP4318 具有可調整的參數,可以透過(guò)調整其允許調整的部分參數來(lái)增進(jìn)其與輕載操作模式的兼容性。以下列出較相關(guān)的參數及描述其分別的調整方向:

一、縮短 tON-DLY2

NCP4318 的 tON-DLY2 設計,究其原由,是為了操作于低于諧振頻率模式(below resonance)的 LLC 電源轉換器,在輕載時(shí)的二次側電流導通特性所設計的機制。只要在觸發(fā)到 NCP4318 的負電流偵測(SRCINV),或是脈沖跳頻模式(skip mode)時(shí),一次側無(wú)脈沖的時(shí)間達足夠長(cháng)度(tGRN2-ENT),DLY_EN 旗標即會(huì )轉態(tài)為 HIGH。而負電流偵測在各種輕載的瞬時(shí)過(guò)程中都很容易觸發(fā)。例如,重載跳到輕載,或是在輕載時(shí)的脈沖跳頻模式的進(jìn)出過(guò)程,都很容易在二次側電流縮小并縮短其導通時(shí)間的切換周期里,觸發(fā)到負電流偵測。因此,在輕載狀況下,NCP4318 的 DLY_EN 旗標通常為 HIGH。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 4 低于諧振頻率模式的輕載二次側電流典型特性


對于具有輕載操作模式的控制器,設計上通常會(huì )讓?xiě)搶娏鞯拈l極脈沖都能導通相當的電流,而每個(gè)脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長(cháng),而是更近于高于諧振頻率模式(above resonance)的波形。因此,如圖  4那樣需要相當長(cháng)度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見(jiàn)于輕載操作模式?;谠鲞M(jìn) SR 功率開(kāi)關(guān)的利用率的考慮,建議將 tON-DLY2 參數設定得較短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短可以設定到240 ns。

二、縮小 KTON1/2、tINV

由于在切換的過(guò)程容易伴隨如圖  5所示的噪聲,這些噪聲可能會(huì )使 VDS 高過(guò) VTH-OFF。因此,NCP4318 設計了最短導通時(shí)間(tON-MIN)來(lái)防止 VG 脈沖被過(guò)早地關(guān)斷。NCP4318 的最短導通時(shí)間設計為基于前一個(gè)切換周期所測得的同步整流導通時(shí)間(SRCOND[n-1])的一個(gè)固定比例。這個(gè)比例取決于 DLY_EN 旗目標狀態(tài),可以是 KTON1 或 KTON2 ,如圖  2所示。在最短導通時(shí)間內,VTH-OFF 會(huì )被無(wú)效化,但 VG 仍然可以透過(guò)保護機制(例如SRCINV)來(lái)關(guān)斷。然而,透過(guò)保護機制關(guān)斷 VG,總是需要多滿(mǎn)足一段延遲時(shí)間(delay time),這會(huì )使關(guān)斷時(shí)間稍晚一些。SRCINV 的延遲時(shí)間為tINV。如果 SR 閘極信號因為其開(kāi)關(guān)導通的電流由正轉負而需要被關(guān)斷,多等一段時(shí)間,也就讓負電流多累積一點(diǎn)時(shí)間,將在關(guān)斷時(shí)造成同步整流功率開(kāi)關(guān)上較大電壓應力。

因為輕載操作模式的電流導通時(shí)間會(huì )忽長(cháng)忽短,為了避免其中由長(cháng)變短時(shí),短的導通時(shí)間落入 tON-MIN 之內,您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設定得短一點(diǎn)。NCP4318 所提供的最短參數設定為 KTON1=34%、KTON2=17%。

另外,如果一次側的短脈寬可調整,也建議將它調整得比 KTON2 還長(cháng)一些。如果一次側的短脈寬無(wú)法稍微拉長(cháng),難免還是會(huì )需要透過(guò) SRCINV 來(lái)關(guān)斷 VG 的狀況。因此,您可以將 SRCINV 的延遲時(shí)間設定得短一點(diǎn)。但是,要注意不要短得讓如圖  5的噪聲觸發(fā)了 SRCINV。NCP4318 的 tINV 可設定范圍為170 ~ 620 ns。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 5 VG導通時(shí)的VDS噪聲


三、縮短 tOFF-MIN

通常在一個(gè)閘極脈沖剛關(guān)斷的時(shí)候,為了防止受到噪聲影響而誤觸了導通的動(dòng)作,我們會(huì )在關(guān)斷之后加上一段最短關(guān)斷時(shí)間(tOFF-MIN),以確保閘極信號的關(guān)斷狀態(tài)至少維持這么一段時(shí)間。在圖  3中提到,輕載操作模式通常是在封包之間插入休止時(shí)間來(lái)調整能量傳遞。封包里的第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖通常都落在同一個(gè)閘極信號上,例如圖  3的例子是在 Q2。連續兩個(gè) Q2 脈沖,如果休止時(shí)間比較短,同一個(gè) SR 功率開(kāi)關(guān)可能需要在關(guān)斷不久后又立即開(kāi)通。因此,您可以把 NCP4318 的 tOFF-MIN 設定為較短的選項。例如,低頻版本(NCP4318xLx)的 tOFF-MIN 參數為 2 μs,您可以另外選擇 700 ns;而高頻版本(NCP4318xHx)的 tOFF-MIN 參數為 1 μs,您可以另外選為 500 ns。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略圖 6 tOFF-MIN使VG無(wú)法實(shí)時(shí)開(kāi)通


綜上所述,搭配輕載操作模式,建議的 NCP4318 參數挑選為短 tON-DLY2、小 KTON、短 tINV 和短 tOFF-MIN。在本文撰寫(xiě)時(shí),尚無(wú)單一版本的 NCP4318 將以上所提到的所有參數調整到極致。根據本文撰寫(xiě)時(shí) NCP4318 的規格手冊,目前所有版本的 tON-DLY2 都是最短的設定。具有較小的 KTON 的版本有 NCP4318ALGP。至于 tINV,最短設定的版本包括有 NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而 tOFF-MIN 設定為較短值的版本則包括 NCP4318ALS。

NCP4318的參數調整方式是封裝后程控(in-package programming)。目前的產(chǎn)品方針是將每一種不同設定做成個(gè)別可定購零件編號(orderable part number, OPN)。如果您有客制參數設定的需求,可以與當地的 onsemi 業(yè)務(wù)代表或產(chǎn)品代理商聯(lián)系。


增進(jìn)LLC電源轉換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數選擇策略

表 1 NCP4318在本文寫(xiě)作當下的可定購版本列表


免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:

Qorvo E1B SiC模塊:成就高效功率轉換系統的秘密武器

意法半導體推出STeID Java Card?可信電子身份證和電子政務(wù)解決方案

利用精密信號鏈μModule解決方案簡(jiǎn)化設計、提高性能并節省寶貴時(shí)間

高分辨率低功耗圖像傳感器,工業(yè)5.0進(jìn)階應用必備

芯原汪志偉:芯原IP、平臺、軟件整套解決方案,助力AIGC算力進(jìn)一步升級

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉