谐振控制器和PFC控制器介绍

1. 简介

现代电子设备功能越来越多。比如计算机性能不断提升，电视屏幕越来越大。但是，增加设备功能通常会带来高功耗，不利于环境保护。提高电源效率是降低功耗的方法之一。谐振拓扑具有较高效率，很多大功率消费电子产品和计算机都采用了这种电源拓扑，比如：液晶电视、等离子电视和笔记本电脑适配器。恩智浦专业谐振控制器可以帮助设计人员打造出高效的谐振电源。恩智浦除在提高能效方面下功夫外，还特别重视电源解决方案的可靠性。本文介绍了恩智浦最新的谐振控制器产品：TEA1713和TEA1613。这两款器件采用了相同的新一代半桥谐振控制器，而TEA1713谐振控制器还集成了功率因数校正(PFC)控制器。

2. 半桥LLC谐振转换器

2.1 半桥谐振转换器拓扑简介

图1：谐振拓扑

谐振转换器由直流高压电源(升压)供电，直流电源通常由前置PFC转换器部分产生。谐振回路(或LLC回路)由电容器Cr和带Lr(漏电感)和Lp(励磁电感)的变压器组成，由2个高压MOSFET器件驱动。半桥控制器(HBC)交替驱动两个MOSFET。电流大小由工作频率决定。二次侧高频交流电压通过整流和滤波获得直流输出电压(Vout)。

2.2 自适应死区时间控制

由于MOSFET器件能够实现软开关，也称为零电压开关(ZVS)，这就为谐振转换器实现高效工作提供了可能。如果两个MOSFET开关动作之间有足够长的死区时间，半桥电压(HB节点)可以完全上升或下降，MOSFET即能实现零电压开关。通过这种方式可以最大程度降低开关损耗。

在半桥斜坡(上升沿/下降沿)结束后，一次侧电流会流过MOSFET内较高阻抗的体二极管，直至MOSFET器件打开。因此，死区时间太长会造成导通损失。

半桥斜坡速度以及死区时间取决于频率、输出负载、输入和输出电压。采用固定死区时间的控制器，死区时间无论是内部固定还是外部可配置的，电源设计人员难于找到合适的值。

恩智浦新一代谐振控制器实现了真正的逐周期自适应死区时间控制。HBC控制器先进的电路可以侦测到半桥斜坡结束点，确保在最佳时机开通MOSFET，实现真正的无损切换。参见图2，最大程度减少体二极管导通时间的同时实现软开关。自适用死区时间功能简化了谐振电源设计，最大程度提高了电源效率。

图2：自适应死区时间

2.3 谐振转换器优化启动

2.3.1 软启动平衡

谐振转换器以高频启动，确保起始电流在安全范围内。随后开始扫频，频率逐步降低，直至达到正常工作频率。这一过程即为软启动。软启动扫描速度是折衷平衡的结果：

· 一方面，软启动应尽可能快，以便迅速达到设定的输出电压。在很多谐振电源设计中，控制器还通过缓冲电容器由谐振变压器供电。变压器输出电压的速度越快，所需缓冲电容充电量就越小，有利于降低缓冲电容规格。

· 另一方面，软启动频率扫描应尽可能慢，以避免过大的浪涌电流。浪涌电流幅度取决于输入电压、软启动扫频速度以及与负载相关的输出电压上升情况，因此在实际操作中很难预测。电源设计人员必须选择最慢的扫频速度，以适应最大负载时的最坏情况。

恩智浦谐振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各种启动条件下实现快速、安全、可控启动。

2.3.2 双速软启动机制

对于扫频的前半部分，由于电流大小受频率影响不大，双速软启动机制的扫频速度要比正常扫频速度快4倍。前半部分快速描频可以缩短频率下降过程，减少启动时间。

当频率下降接近工作频率时，由于靠近谐振频率，电流对频率变化敏感度提高，电流增速也相应提高。减慢后半部分扫频速度可以控制电流和输出电压过冲。

2.3.3 感应交流电流实现过流调整

高的浪涌电流会对地产生干扰，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二极管的额定电流值。通过过流调节(OCR)将电流限制在用户设定的安全范围，可以解决这一问题。

OCR可以检测出一次侧谐振电流，如果该电流超过用户设定的电流值，则增大频率。利用这一功能，电源设计人员可以根据典型应用条件选择快速软启动速度。对于特殊条件，比如满载启动，OCR通过减慢扫频速度可将电流限制在安全范围。

OCR通过双速软启动机制控制来频率，作为两种有效手段之一，通过这种方法更容易实现稳定的电流调节。图3给出了启动期间输出电压上升期OCR被激活示例。

图3：启动电流调节

第二种大幅提升OCR稳定性的方法是对一次交流瞬时电流值进行直接的逐周期检测。一般的OCR电路采用检测整流和滤器后产生的直流电压的方法，该直流电压代表了控制器的平均电流水平。但这种设计中的滤波器会产生第二个低频极点，因此很难建立稳定的OCR回路。而对瞬时电流进行直接的交流检测则无需使用整流器和滤波器，这样既节约了元器件成本，提高了OCR稳定性，又能增加精度，达到快速过流检测和响应的目的。