大功率應用的高能效電源設計方案

在當今的高效能電子系統中，大功率電源設計變得越來越重要。這些系統通常要求電源具備高效率、高可靠性和低待機能耗，特別是在大屏幕電視、一體化電腦、工業及醫療設備等領域。本文詳細介紹了一種基于LLC拓撲和電流模式控制的高能效電源設計方案，重點分析該方案的優勢、工作原理和實現細節。

一、引言

隨著科技的不斷發展，電子設備對電源性能的要求也在不斷提高。特別是在大功率應用中，傳統電壓模式控制的電源系統已經無法滿足當前的高能效和低待機能耗需求。因此，需要一種新的電源設計方案來突破這些限制。本文提出采用LLC拓撲和電流模式控制的電源設計方案，以滿足大屏幕電視、一體化電腦、工業及醫療設備等大功率應用的需求。

二、LLC拓撲及其優勢

LLC（LLC Resonant Converter）拓撲結構在200W-600W電源應用中相當普及，尤其在需要高能效開關電源的方案中表現出色。LLC拓撲結構具有以下顯著優勢：

1. 高效率：LLC諧振轉換器在中度負載和滿載時能夠實現高效率，這是由于初級端MOSFET的零電壓開關（ZVS）和次級端整流器的零電流開關（ZCS）共同作用的結果。

2. 高可靠性：LLC拓撲結構相對簡單，元器件數量較少，有助于提升系統的可靠性。

3. 良好的動態響應：LLC拓撲結構能夠提供快速的動態響應，從而滿足現代電子系統對電源響應速度的要求。

4. 低待機能耗：在待機模式下，LLC拓撲結構可以通過降低開關頻率和關閉部分電路來降低待機能耗。

三、電流模式控制與傳統電壓模式控制的比較

傳統的電壓模式LLC控制器通過次級穩壓器改變壓控振蕩器（VCO）頻率來實現穩壓。然而，這種方法存在以下限制：

1. 瞬態響應慢：由于沒有直接連接到初級端電流，電壓模式控制器在輸出產生瞬態變化（如由空載轉至滿載）時，瞬態響應會比較慢。

2. 額外的保護電路：電壓模式控制器需要添加額外的電路系統以提供過載及短路保護。

3. 硬開關問題：LLC啟動行為受諧振回路的元器件、實際的諧振電容電壓、啟動階段的輸出電壓、啟動大電流電壓和初始導通時間等初始條件影響，在所有條件下避免硬開關是不太容易的。

相比之下，電流模式控制具有以下優勢：

1. 更快速的動態響應：電流模式控制直接監測初級端電流，能夠提供更快速的動態響應。

2. 更高的能效：電流模式控制可以提供比電壓模式控制更高的輕載及平均能效。

3. 無需輔助電源：電流模式控制在待機模式下無需輔助電源即可實現超低待機能耗。

四、電流模式控制的LLC AC-DC控制器NCP1399

安森美半導體的NCP1399是業界首款采用電流控制模式的LLC AC-DC控制IC。該器件具有以下特點：

1. 600V門極驅動器：簡化布局并減少外部元件數。

2. 跳周期模式：提升輕載能效。

3. 集成保護特性：提升系統可靠性。

4. 高能效及超低待機能耗：用于大屏幕電視、一體化電腦、工業及醫療等大功率電源系統應用，可顯著實現輕載和滿載時的高能效及超低待機能耗。

五、NCP1399的工作原理

NCP1399的工作原理主要包括以下幾個方面：

1. 電流模式控制：由于諧振電容集成初級電流（Iprimary），Vcs電壓與初級電流成正比。在關斷期間，Vcs電壓有正或負斜率，且關斷時的Vcs電壓幾乎是線性地依賴于負載電流。因此，可以通過Vcs與初級電流的關系以及Vcs分壓實現電流模式LLC控制。

2. 自動調節死區時間（DeadTime, DT）：DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉導通，從而防止過電流對系統的損毀。NCP1399采用專有方式，當檢測到零電壓開關（ZVS）轉換時，dV/dt傳感器監測HB引腳斜率，并提供邏輯信號，從而根據諧振回路參數優化調節DT。

3. 跳周期模式技術：NCP1399采用專有的跳周期模式技術，基于FB引腳電壓電平執行跳周期模式。當VFB降至低于預選跳周期水平時，IC經由專用關斷序列進入跳周期模式。在這種運行模式下，IC功耗降低，PFC段及使用PFC模式引腳的BO/PFC FB高壓分壓器可被禁用。

4. PFC導通/關斷功能：PFC導通/關斷功能基于FB引腳電壓監測來完成。PFC預設的計時器（Timer）用來克服瞬態期間的問題，三態輸出控制PFC FB/LLC Brown-Out（BO）分壓器和PFC VCC。這PFC導通/關斷功能在跳周期模式可降低輕載能耗。

5. 軟啟動和過載保護：NCP1399使用軟啟動計數器和D/A轉換器，實現數字非線性軟啟動序列。過載保護通過FB引腳電壓檢測實現。當使用NCP1399發生次級短路時，FB引腳電壓上升，當FB引腳電壓達到最大值時，故障計時器/計數器啟動，控制器禁用驅動脈沖并進入保護模式。

六、NCP1399的典型應用

NCP1399有兩個版本：Active OFF關斷模式（NCP1399Ax）和Active ON關斷模式（NCP1399Bx）。兩個版本均采用業界首款6引腳PFC控制器NCP1602，與NCP1399配合成為完整的LLC方案。

1. NCP1399Ax：采用“Skip”引腳調整進入跳周期模式的負載狀態，及偵察到FB電壓低于VB_remote_off時進入關斷模式。

2. NCP1399Bx：采用內部設定的“跳周期模式”閾值電平（IC內部可編程），及運用獨立的光耦制REM引腳而進入關斷模式。

在具體應用中，NCP1399的控制算法如下：

1. 通過Vcs分壓信號取得正諧振電容斜率。

2. 偏移加至Vcs分壓信號，以避免輕載時光耦飽和。

3. 根據FB引腳電壓和Vcs電壓斜率（反映通過初級電流的線路和負載條件）通過系統自動調節Mupper導通時間。

4. 然后同樣的導通時間被復制用于Mlower MOSFET，確保完美對稱的直流。

七、實驗驗證與性能分析

為了驗證NCP1399的性能，進行了相關實驗。實驗結果顯示，當輸入電壓為110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內時，NCP1399的能效高達90%以上。這充分證明了該方案在高能效和低待機能耗方面的優勢。

八、NCP1399的可編程功能與靈活性

NCP1399內置許多可編程功能，包括：

1. 空載期鉗位和故障選項。

2. TSD閾值。

3. 使用可調節的閾值選擇Remote和關斷模式。

4. VCC導通/關斷閾值。

5. CS偏置和斜率補償增益。

6. 提供CS LEB。

7. 跳周期模式的內外閾值。

8. 故障計時器/計數器及其持續時間，包括自動恢復計時器、累積或非累積選擇。

9. OTP/OVP閂鎖或自動恢復選擇。

10. BO選擇（IBO, VBO, 跳周期期間功能）。

11. 最大導通時間故障檢測（導通時間和閂鎖/自動恢復）。

12. 啟動序列的第1個Mupper和Mlower脈沖寬度。

13. 軟啟動增量影響軟啟動持續時間。

14. P ON/OFF功能的激活和滯后以及計時器功能等。

這些可編程功能使得設計師可以根據具體應用對參數進行調整和優化，從而提供設計靈活性并加快產品上市。

九、結論

本文介紹了一種基于LLC拓撲和電流模式控制的高能效電源設計方案。該方案采用安森美半導體的NCP1399控制IC，實現了高能效、低待機能耗和高可靠性。實驗結果表明，該方案在輸入電壓為110V和230V，輸出電流在0-20A范圍內時，能效高達90%以上。此外，NCP1399還內置了許多可編程功能，使得設計師可以根據具體應用對參數進行調整和優化。因此，該方案在大屏幕電視、一體化電腦、工業及醫療等大功率電源系統應用中具有廣闊的應用前景。

通過本文的介紹和分析，可以看出，采用LLC拓撲和電流模式控制的高能效電源設計方案在大功率應用中具有顯著的優勢。該方案不僅提高了電源的能效和可靠性，還降低了待機能耗和成本。隨著科技的不斷進步和電子設備對電源性能要求的不斷提高，該方案將會得到更廣泛的應用和推廣。