增進(jìn)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(dāng)流行。為了進(jìn)一步增進(jìn) LLC 電源轉(zhuǎn)換器在重載時(shí)的工作效率，設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)，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(dòng)信號狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)信號的觸發(fā)分為 DLY_EN 旗標(biāo)為 LOW 或 HIGH 兩種狀況。一般情況下，當(dāng) VD 與 VS 腳位之間的電位差低于 VTH-ON 準(zhǔn)位時(shí)，立即將VG輸出為 HIGH。但當(dāng) DLY_EN 旗標(biāo)為 HIGH 時(shí)， VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準(zhǔn)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)，透過偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準(zhǔn)位，NCP4318 會(huì)將 VG 信號關(guān)斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設(shè)計(jì)中是一個(gè)變動(dòng)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(dá) VTH-HGH 的時(shí)間差，亦即死區(qū)時(shí)間（dead time），在不同負(fù)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(biāo)為LOW

(b)DLY_EN 旗標(biāo)為HIGH

圖2 NCP4318基本動(dòng)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(xì)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(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的封包（packet、pattern、package），再調(diào)整封包之間的距離，以實(shí)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(chǔ)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(zhǔn)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）。

(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(dāng)一次側(cè)操作為輕載操作模式，二次側(cè)的電流波形會(huì)與通常的脈沖頻率調(diào)變相當(dāng)不同。首先，由于一次側(cè)的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)有長短變化，因此二次側(cè)的電流導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)有所變動(dòng)。此外，并不是每一個(gè)一次側(cè)的閘極脈沖都會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生導(dǎo)通電流。實(shí)際上，視乎不同輕載操作模式的封包設(shè)計(jì)，二次側(cè)的電流導(dǎo)通樣態(tài)也會(huì)有所不同。有些一次側(cè)閘極脈沖并不會(huì)讓二次側(cè)呈現(xiàn)出導(dǎo)通電流，而有些則只會(huì)導(dǎo)通部分時(shí)間。甚至在休止時(shí)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(shí)，二次側(cè)有時(shí)也會(huì)有短暫的電流導(dǎo)通。

當(dāng)二次側(cè)導(dǎo)通電流時(shí)，首先會(huì)讓 SR 功率開關(guān)的本體二極管導(dǎo)通。此時(shí)，SR 控制器會(huì)偵測到 VD 與 VS 電位差的低準(zhǔn)位，進(jìn)而送出 VG 脈沖。然而，在輕載操作模式中，二次側(cè)的電流會(huì)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(jìn)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(jì)，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(shí)的二次側(cè)電流導(dǎo)通特性所設(shè)計(jì)的機(jī)制。只要在觸發(fā)到 NCP4318 的負(fù)電流偵測（SRCINV），或是脈沖跳頻模式（skip mode）時(shí)，一次側(cè)無脈沖的時(shí)間達(dá)足夠長度（tGRN2-ENT），DLY_EN 旗標(biāo)即會(huì)轉(zhuǎn)態(tài)為 HIGH。而負(fù)電流偵測在各種輕載的瞬時(shí)過程中都很容易觸發(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)出過程，都很容易在二次側(cè)電流縮小并縮短其導(dǎo)通時(shí)間的切換周期里，觸發(fā)到負(fù)電流偵測。因此，在輕載狀況下，NCP4318 的 DLY_EN 旗標(biāo)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(jì)上通常會(huì)讓應(yīng)該導(dǎo)通電流的閘極脈沖都能導(dǎo)通相當(dāng)?shù)碾娏?，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，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(dāng)長度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見于輕載操作模式?；谠鲞M(jìn) 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(huì)使 VDS 高過 VTH-OFF。因此，NCP4318 設(shè)計(jì)了最短導(dǎo)通時(shí)間（tON-MIN）來防止 VG 脈沖被過早地關(guān)斷。NCP4318 的最短導(dǎo)通時(shí)間設(shè)計(jì)為基于前一個(gè)切換周期所測得的同步整流導(dǎo)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(biāo)狀態(tài)，可以是 KTON1 或 KTON2 ，如圖  2所示。在最短導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，VTH-OFF 會(huì)被無效化，但 VG 仍然可以透過保護(hù)機(jī)制（例如SRCINV）來關(guān)斷。然而，透過保護(hù)機(jī)制關(guān)斷 VG，總是需要多滿足一段延遲時(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?yàn)槠溟_關(guān)導(dǎo)通的電流由正轉(zhuǎn)負(fù)而需要被關(guān)斷，多等一段時(shí)間，也就讓負(fù)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關(guān)上較大電壓應(yīng)力。

因?yàn)檩p載操作模式的電流導(dǎo)通時(shí)間會(huì)忽長忽短，為了避免其中由長變短時(shí)，短的導(dǎo)通時(shí)間落入 tON-MIN 之內(nèi)，您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設(shè)定得短一點(diǎn)。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(huì)需要透過 SRCINV 來關(guān)斷 VG 的狀況。因此，您可以將 SRCINV 的延遲時(shí)間設(shè)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(shè)定范圍為170 ~ 620 ns。

圖5 VG導(dǎo)通時(shí)的V_DS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(dǎo)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)間來調(diào)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(xù)兩個(gè) Q2 脈沖，如果休止時(shí)間比較短，同一個(gè) 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(xiàng)。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(shí)時(shí)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(shí)，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(shí) 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(gè)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(dāng)?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(dāng)下的可定購版本列表