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大屏电视等大功率应用的高能效电源设计

2015年10月09日 ?? 收藏0
LLC拓扑在200 W-600 W电源应用中相当普及,尤其在需要高能效开关电源的方案。有别于市场上采用传统电压控制工作模式的LLC方案,安森美半导体的NCP1399是业界首款采用电流控制模式的LLC AC-DC控制IC。该器件应用600 V门极驱动器简化布局并减少外部元件数,采用跳周期模式提升轻载能效,并集成一系列保护特性以提升系统可靠性,用于大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗等大功率电源系统应用,可显著实现轻载和满载时的高能效及超低待机能耗。

传统电压模式LLC的限制

传统的电压模式LLC控制器是通过次级稳压器改变压控振荡器(VCO)频率,从而实现稳压。由于没有直接连接到初级端电流,所以需要添加额外的电路系统以提供过载及短路保护。当输出产生瞬态变化(如由空载转至满载)时,瞬态响应会比较慢。而且,LLC启动行为受谐振回路的元器件、实际的谐振电容电压、启动阶段的输出电压、启动大电流电压和初始导通时间等初始条件影响,在所有条件下避免硬开关是不太容易的。当应用进入待机模式时,为降低待机能耗,系统会关闭PFC及LLC,但同时需要系统里有辅助电源来维持MCU及周边元器件待机时的最低工作条件,增加了系统成本。

电流模式LLC的优势

相同条件下,电流模式LLC可提供比传统电压模式LLC高得多的fo,从这波特图可以看出。

图1. 波特图
图1. 波特图

因此,在动态负载响应方面,电流模式LLC比电压模式LLC提供更低压降、更低过冲(overshoot)和更快稳定响应;在线形纹波抑制方面,电流模式LLC 控制抑制线性纹波比VCO LLC好5倍,其与Vbulk有关的Vout纹波甚至可以忽略不计;在线形瞬态方面,电流模式LLC控制提供较VCO LLC控制小10倍的过冲和小10倍的压降。

NCP1399 应用原理及电流模式控制算法

NCP1399有Active OFF 关断模式 (NCP1399Ax)和Active ON关断模式 (NCP1399Bx)两个版本。如图2 所示,两个版本均采用业界首款6引脚PFC控制器NCP1602,与NCP1399配合成为完整的LLC方案。PFC运行由NCP1399经由VCC控制,PFC FB和 LLC BO 的电阻分压是共享的,这共享也是可关断的。NCP1399Ax采用”Skip”引脚调整进入跳周期模式的负载状态,及侦察到FB电压低于VB_remote_off时进入关断模式;NCP1399Bx则采用內部设定的“跳周期模式”阈值电平 (IC内部可编程),及运用独立的光耦制REM 引脚而进入关断模式。

图2. NCP1399典型应用原理图(上:A版本;下:B版本)
图2. NCP1399典型应用原理图(上:A版本;下:B版本)

由于谐振电容集成初级电流(Iprimary),所以Vcs电压与初级电流成正比,而在关断期间,Vcs电压有正或负斜率,再者,关断时的Vcs电压几乎是线性地依赖于负载电流,而Vcs关断电压曲线随Vbulk变化,故可通过Vcs与初级电流的关系以及Vcs分压实现电流模式LLC控制。具体控制算法为:1)通过Vcs分压信号取得正谐振电容斜率;2)偏移加至Vcs分压信号,以避免轻载时光耦饱和;3)根据FB引脚电压和Vcs电压斜率(反映通过初级电流的线路和负载条件)通过系统自动调节Mupper导通时间;4)然后同样的导通时间被复制用于Mlower MOSFET,确保完美对称的直流。

图3. 电流模式控制原理
图3. 电流模式控制原理

下一页:NCP1399如何实现高能效及超低待机能耗


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