詳細介紹諧振控制器
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現代電子設備功能越來越多，設備功能的高功耗對環(huán)境的影響也越來越大。提高電源效率是降低功耗的方法之一。諧振拓撲具有較高效率，很多大功率消費電子產品和計算機都采用了這種電源拓撲，比如：液晶電視、等離子電視和筆記本電腦適配器。恩智浦專業(yè)諧振控制器可以幫助設計人員打造出高效的諧振電源，不僅在提高能效方面下功夫外，還特別重視電源解決方案的可靠性。本文介紹了恩智浦最新的諧振控制器產品：TEA1713和TEA1613。這兩款器件采用了相同的新一代半橋諧振控制器。
2. 半橋LLC諧振轉換器
2.1 半橋諧振轉換器拓撲簡介
圖1：諧振拓撲
諧振轉換器由直流高壓電源（升壓）供電，直流電源通常由前置PFC轉換器部分產生。諧振回路（或LLC回路）由電容器Cr和帶Lr（漏電感）和Lp（勵磁電感）的變壓器組成，由2個高壓MOSFET器件驅動。半橋控制器(HBC)交替驅動兩個MOSFET。電流大小由工作頻率決定。二次側高頻交流電壓通過整流和濾波獲得直流輸出電壓(Vout)。
2.2 自適應死區(qū)時間控制
由于MOSFET器件能夠實現軟開關，也稱為零電壓開關(ZVS)，這就為諧振轉換器實現高效工作提供了可能。如果兩個MOSFET開關動作之間有足夠長的死區(qū)時間，半橋電壓（HB節(jié)點）可以完全上升或下降，MOSFET即能實現零電壓開關。通過這種方式可以最大程度降低開關損耗。
在半橋斜坡（上升沿/下降沿）結束后，一次側電流會流過MOSFET內較高阻抗的體二極管，直至MOSFET器件打開。因此，死區(qū)時間太長會造成導通損失。
半橋斜坡速度以及死區(qū)時間取決于頻率、輸出負載、輸入和輸出電壓。采用固定死區(qū)時間的控制器，死區(qū)時間無論是內部固定還是外部可配置的，電源設計人員難于找到合適的值。
恩智浦新一代諧振控制器實現了真正的逐周期自適應死區(qū)時間控制。HBC控制器先進的電路可以偵測到半橋斜坡結束點，確保在最佳時機開通MOSFET，實現真正的無損切換。參見圖2，最大程度減少體二極管導通時間的同時實現軟開關。自適用死區(qū)時間功能簡化了諧振電源設計，最大程度提高了電源效率。
圖2：自適應死區(qū)時間
2.3 諧振轉換器優(yōu)化啟動
2.3.1 軟啟動平衡
諧振轉換器以高頻啟動，確保起始電流在安全范圍內。隨后開始掃頻，頻率逐步降低，直至達到正常工作頻率。這一過程即為軟啟動。軟啟動掃描速度是折衷平衡的結果：
· 一方面，軟啟動應盡可能快，以便迅速達到設定的輸出電壓。在很多諧振電源設計中，控制器還通過緩沖電容器由諧振變壓器供電。變壓器輸出電壓的速度越快，所需緩沖電容充電量就越小，有利于降低緩沖電容規(guī)格。
· 另一方面，軟啟動頻率掃描應盡可能慢，以避免過大的浪涌電流。浪涌電流幅度取決于輸入電壓、軟啟動掃頻速度以及與負載相關的輸出電壓上升情況，因此在實際操作中很難預測。電源設計人員必須選擇最慢的掃頻速度，以適應最大負載時的最壞情況。
恩智浦諧振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各種啟動條件下實現快速、安全、可控啟動。
2.3.2 雙速軟啟動機制
對于掃頻的前半部分，由于電流大小受頻率影響不大，雙速軟啟動機制的掃頻速度要比正常掃頻速度快4倍。前半部分快速描頻可以縮短頻率下降過程，減少啟動時間。
當頻率下降接近工作頻率時，由于靠近諧振頻率，電流對頻率變化敏感度提高，電流增速也相應提高。減慢后半部分掃頻速度可以控制電流和輸出電壓過沖。
2.3.3 感應交流電流實現過流調整
高的浪涌電流會對地產生干擾，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二極管的額定電流值。通過過流調節(jié)(OCR)將電流限制在用戶設定的安全范圍，可以解決這一問題。
OCR可以檢測出一次側諧振電流，如果該電流超過用戶設定的電流值，則增大頻率。利用這一功能，電源設計人員可以根據典型應用條件選擇快速軟啟動速度。對于特殊條件，比如滿載啟動，OCR通過減慢掃頻速度可將電流限制在安全范圍。
OCR通過雙速軟啟動機制控制來頻率，作為兩種有效手段之一，通過這種方法更容易實現穩(wěn)定的電流調節(jié)。圖3給出了啟動期間輸出電壓上升期OCR被激活示例。
圖3：啟動電流調節(jié)
第二種大幅提升OCR穩(wěn)定性的方法是對一次交流瞬時電流值進行直接的逐周期檢測。一般的OCR電路采用檢測整流和濾器后產生的直流電壓的方法，該直流電壓代表了控制器的平均電流水平。但這種設計中的濾波器會產生第二個低頻極點，因此很難建立穩(wěn)定的OCR回路。而對瞬時電流進行直接的交流檢測則無需使用整流器和濾波器，這樣既節(jié)約了元器件成本，提高了OCR穩(wěn)定性，又能增加精度，達到快速過流檢測和響應的目的。
2.3.4 縮短高邊第一個脈沖時間
啟動時按正常開通時間打開高邊MOSFET，第一個電流脈沖的幅度會很高，該峰值電流會造成干擾。TEA1713和TEA1613控制器把高邊MOSFET的第一個導通時間縮短為只有正常導通時間的一半，因此原邊電流初始幅度較低，可以快速達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)(圖4)。
a. 通常情況下第一次高邊MOSFET導通時間。 b. 縮短高邊導通時間后有限的峰值電流。
圖4：縮短高邊導通時間后的效果
3. 可靠性和安全性
提升開關式電源的可靠性與耐用性是減少返修和控制成本的關鍵因素。為此，恩智浦在TEA1613和TEA1713產品中增加了多重保護功能，為客戶帶來了真正完美的電源解決方案。
3.1容性模式保護
比較獨特的保護功能是恩智浦正在申請專利的逐周期容性模式保護，它能夠有效避免任何因容性模式對功率MOSFET可能造成的損害。有了它設計人員無須考慮與容性模式開關相關的MOSFET的反向恢復問題。因此，設計人員選用MOSFET器件時可以進行成本優(yōu)化，不會影響整個電源系統(tǒng)的性能和可靠性。
諧振轉換器通常工作在感性模式下，其開關頻率高于諧振頻率，利用功率MOSFET器件的零電壓切換(ZVS)功能實現電源高效運行。對于輸出短路電流、高脈動負載或市電降壓等特殊情況，諧振回路的諧振頻率短時間會高于工作頻率，這將使得諧振回路變成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET關閉后電流會持續(xù)流經體二極管，半橋節(jié)點(HB)不會出現電壓變化。此時打開另一個MOSFET會非常危險，因為帶體二極管的MOSFET反向恢復時產生的峰值電流可以瞬時燒毀器件。TEA1713和TEA1613對于危險的容性模式工作提供了三重動作保護。
TEA1713和TEA1613自適應死區(qū)時間控制是第一重保護，可以延遲另一個MOSFET器件打開時間，直到電流恢復正常極性。MOSFET會在半橋斜坡結束后打開，因此可以確保電流已恢復正確安全的極性。參見圖5。該功能可以防止MOSFET在體二極管未恢復時危險的開關動作。
圖5；容性開關保護
容性模式發(fā)生后，諧振電流返回正常極性需要半個諧振周期，斜坡發(fā)生在半橋節(jié)點上。為了實現相對較長的等待時間，振蕩器速度減慢直到檢測到半橋斜坡起點。這是第二重保護動作。
第三重保護動作是在容性模式工作期間提高振蕩器頻率。該動作可以使轉換器返回安全的感性模式。
3.2 具有補償升壓電壓的兩級過流保護
為了防止（短時）在大功率下運行導致元器件過熱或者變壓器飽和，恩智浦產品采用了兩級過流保護設計。
第一步：電流較低時，通過調節(jié)頻率來限制電流。該過流調節(jié)(OCR)功能在啟動期間同樣可以限制電流。
第二步：如果電流增加太快，OCR無法調節(jié)，比如輸出短路。此時可采取更為有力的保護措施——立即將開關頻率提到最高。這一過程也稱為過流保護(OCP)。
諧振轉換器的輸入電壓(升壓后)通常由PFC產生，非常穩(wěn)定。不過，在啟動期間、市電降壓、或者沒有有源PFC的系統(tǒng)中，升壓后的電壓會比較低。因此，對于相同輸出功率的諧振轉換器，
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