增進LLC電源轉(zhuǎn)換器同步整流與輕載控制模式兼容性的參數(shù)選擇策略

在追求高轉(zhuǎn)換效率的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉(zhuǎn)換器（resonant power converter）電路架構(gòu)因其優(yōu)異的效率表現(xiàn)，在近年來變得相當流行。為了進一步增進 LLC 電源轉(zhuǎn)換器在重載時的工作效率，設(shè)計實例中也紛紛采用了同步整流（synchronous rectification, SR）來減少原本以二極管作為變壓器輸出側(cè)整流組件的功率損耗。此外，針對輕載效率的增進，有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調(diào)變（pulse frequency modulation, PFM），許多專用控制器也提供了輕載控制模式 （Light-load mode） 來減少切換損失。

LLC同步整流應(yīng)用電路及工作原理

NCP4318 是適用于 LLC 架構(gòu)的同步整流控制器，其應(yīng)用電路如圖  1所示，而其工作原理則概述如圖  2。NCP4318透過 VD 與 VS 腳位來檢測 SR 功率開關(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(qū)動信號狀態(tài)。驅(qū)動信號的觸發(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，立即將VG輸出為 HIGH。但當 DLY_EN 旗標為 HIGH 時， VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準位要維持一段 tON-DLY2 的延遲時間，VG 才會輸出為 HIGH。在 VG 輸出為 HIGH 時，透過偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準位，NCP4318 會將 VG 信號關(guān)斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設(shè)計中是一個變動的值。藉由調(diào)整 VTH-OFF，NCP4318 可以確保從 VG 關(guān)斷到 VD 電壓上升達 VTH-HGH 的時間差，亦即死區(qū)時間（dead time），在不同負載的狀況下都保持不變。

圖1 NCP4318基本應(yīng)用電路圖

(a)DLY_EN 旗標為LOW

(b)DLY_EN 旗標為HIGH

圖2 NCP4318基本動作原理

輕載控制模式

許多廠家推出的 LLC 控制專用 IC 都提供了輕載控制模式。雖然其觸發(fā)條件和操作細節(jié)各有差異，但共通的原理是將一次側(cè)的閘極信號控制為一個經(jīng)過設(shè)計的封包（packet、pattern、package），再調(diào)整封包之間的距離，以實現(xiàn)功率的調(diào)變。這些封包通常具有較短的開頭閘極脈沖（gate pulse），用來將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(xù)的閘極脈沖將能量傳遞到二次側(cè)。以 onsemi 的 NCP13992 系列為例，如圖  3所示，一次側(cè)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）時間。藉由輕載控制模式，LLC電路可以避免在輕載時被操作在較高的切換頻率（switching frequency），從而降低切換損失（switching loss）。

(a)操作范例一

(b)操作范例二

圖3 NCP13992/NCP13994的輕載操作模式

兼容性挑戰(zhàn)

當一次側(cè)操作為輕載操作模式，二次側(cè)的電流波形會與通常的脈沖頻率調(diào)變相當不同。首先，由于一次側(cè)的導(dǎo)通時間會有長短變化，因此二次側(cè)的電流導(dǎo)通時間也會有所變動。此外，并不是每一個一次側(cè)的閘極脈沖都會在二次側(cè)產(chǎn)生導(dǎo)通電流。實際上，視乎不同輕載操作模式的封包設(shè)計，二次側(cè)的電流導(dǎo)通樣態(tài)也會有所不同。有些一次側(cè)閘極脈沖并不會讓二次側(cè)呈現(xiàn)出導(dǎo)通電流，而有些則只會導(dǎo)通部分時間。甚至在休止時間內(nèi)，共振腔剩余的電流導(dǎo)通一次側(cè)功率開關(guān)本體二極管（body diode）時，二次側(cè)有時也會有短暫的電流導(dǎo)通。

當二次側(cè)導(dǎo)通電流時，首先會讓 SR 功率開關(guān)的本體二極管導(dǎo)通。此時，SR 控制器會偵測到 VD 與 VS 電位差的低準位，進而送出 VG 脈沖。然而，在輕載操作模式中，二次側(cè)的電流會忽大忽小、忽長忽短、忽有忽無，這對 SR 控制器來說帶來更多挑戰(zhàn)。

參數(shù)調(diào)整策略

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

一、縮短 tON-DLY2

NCP4318 的 tON-DLY2 設(shè)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(zhuǎn)換器，在輕載時的二次側(cè)電流導(dǎo)通特性所設(shè)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，一次側(cè)無脈沖的時間達足夠長度（tGRN2-ENT），DLY_EN 旗標即會轉(zhuǎn)態(tài)為 HIGH。而負電流偵測在各種輕載的瞬時過程中都很容易觸發(fā)。例如，重載跳到輕載，或是在輕載時的脈沖跳頻模式的進出過程，都很容易在二次側(cè)電流縮小并縮短其導(dǎo)通時間的切換周期里，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。

圖4 低于諧振頻率模式的輕載二次側(cè)電流典型特性

對于具有輕載操作模式的控制器，設(shè)計上通常會讓應(yīng)該導(dǎo)通電流的閘極脈沖都能導(dǎo)通相當?shù)碾娏鳎總€脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長，而是更近于高于諧振頻率模式（above resonance）的波形。因此，如圖  4那樣需要相當長度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見于輕載操作模式?；谠鲞M SR 功率開關(guān)的利用率的考慮，建議將 tON-DLY2 參數(shù)設(shè)定得較短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短可以設(shè)定到240 ns。

二、縮小 K_TON1/2、t_INV

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

因為輕載操作模式的電流導(dǎo)通時間會忽長忽短，為了避免其中由長變短時，短的導(dǎo)通時間落入 tON-MIN 之內(nèi)，您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設(shè)定得短一點。NCP4318 所提供的最短參數(shù)設(shè)定為 KTON1=34%、KTON2=17%。

另外，如果一次側(cè)的短脈寬可調(diào)整，也建議將它調(diào)整得比 KTON2 還長一些。如果一次側(cè)的短脈寬無法稍微拉長，難免還是會需要透過 SRCINV 來關(guān)斷 VG 的狀況。因此，您可以將 SRCINV 的延遲時間設(shè)定得短一點。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(shè)定范圍為170 ~ 620 ns。

圖5 VG導(dǎo)通時的V_DS噪聲

三、縮短 tOFF-MIN

通常在一個閘極脈沖剛關(guān)斷的時候，為了防止受到噪聲影響而誤觸了導(dǎo)通的動作，我們會在關(guān)斷之后加上一段最短關(guān)斷時間（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間來調(diào)整能量傳遞。封包里的第一個脈沖和最后一個脈沖通常都落在同一個閘極信號上，例如圖  3的例子是在 Q2。連續(xù)兩個 Q2 脈沖，如果休止時間比較短，同一個 SR 功率開關(guān)可能需要在關(guān)斷不久后又立即開通。因此，您可以把 NCP4318 的 tOFF-MIN 設(shè)定為較短的選項。例如，低頻版本（NCP4318xLx）的 tOFF-MIN 參數(shù)為 2 μs，您可以另外選擇 700 ns；而高頻版本（NCP4318xHx）的 tOFF-MIN 參數(shù)為 1 μs，您可以另外選為 500 ns。

圖6 tOFF-MIN使VG無法實時開通

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

NCP4318的參數(shù)調(diào)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(shè)定做成個別可定購零件編號（orderable part number, OPN）。如果您有客制參數(shù)設(shè)定的需求，可以與當?shù)氐?onsemi 業(yè)務(wù)代表或產(chǎn)品代理商聯(lián)系。

表1 NCP4318在本文寫作當下的可定購版本列表