增进LLC电源转换器同步整流与轻载控制模式兼容性的参数选择策略

在寻求高转换服从的电源转换器使用中，接纳 LLC 谐振的 LLC 谐振电源转换器（resonant power converter）电路架构因其优秀的服从体现，在近年来变得至关风行。为了进一步增长 LLC 电源转换器在重载时的事情服从，设想实例中也纷纭采用了同步整流（synchronous rectification, SR）来缩小底本以作为输入侧整流组件的功率消耗。另外，针对轻载服从的增长，有别于平日操纵状态所习用的脉冲频次调变（pulse frequency modulation, PFM），许多公用控制器也供应了轻载操纵模式（Light-load mode）来缩小切换丧失。

LLC同步整流使用电路及事情道理

NCP4318 是适用于 LLC 架构的同步整流控制器，其使用电路如图 1所示，而其事情原理则概述如图 2。NCP4318透过 VD 与 VS 脚位来检测 SR 功率开关之汲极（drain, D）与源极（source, S）之间的电位差（VDS），以此抉择其 VG 脚位的驱动旌旗灯号状况。驱动旌旗灯号的触发分为 DLY_EN 旗标为 LOW 或 HIGH 两种状态。普通情况下，当 VD 与 VS 脚位之间的电位差低于 VTH-ON 准位时，立马上VG输入为 HIGH。但当 DLY_EN 旗标为 HIGH 时， VD 与 VS 脚位的电位差低于 VTH-ON 准位要维持一段 tON-DLY2 的耽误时候，VG 才会输入为 HIGH。在 VG 输入为 HIGH 时，透过侦测 VD 与 VS 电位差高于 VTH-OFF 准位，NCP4318 会将 VG 旌旗灯号关断。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的设想中是一个更改的值。藉由调解 VTH-OFF，NCP4318 能够确保从 VG 关断到 VD 电压回升达 VTH-HGH的时间差，亦即死区时候（dead time），在分歧负载的状态下都坚持稳定。

图 1 NCP4318基础使用电路图

图 2 NCP4318基础行动道理

轻载操纵模式

许多厂家推出的 LLC 操纵公用 IC 都供应了轻载操纵模式。尽管其触发前提和操纵细节各有差别，但共通的道理是将一次侧的闸极旌旗灯号控制为一个经由设想的封包（packet、pattern、package），再调整封包之间的间隔，以完成功率的调变。这些封包平日拥有较短的开首闸极脉冲（gate pulse），用来将LLC的谐振腔（resonant tank）储能状况操作到可以或许传递能量的状况，然后再应用后续的闸极脉冲将能量通报到二次侧。以 onsemi 的 NCP13992 系列为例，如图 3所示，一次侧的闸极旌旗灯号根据 Q2→Q1→Q2 的次第罗列，而封包之间有一段所有闸极旌旗灯号皆为低准位的停止（dormant）时候。藉由轻载操纵模式，LLC电路能够防止在轻载时被操纵在较高的切换频次（switching frequency），从而下降切换丧失（switching loss）。

图 3 NCP13992/NCP13994的轻载操纵模式

兼容性挑衅

当一次侧操作为轻载操纵模式，二次侧的电流波形会与平日的脉冲频次调变至关分歧。起首，因为一次侧的导通时候会有长短变迁，是以二次侧的电流导通时候也会有所更改。另外，并非每个一次侧的闸极脉冲都会在二次侧发生导通电流。实际上，视乎分歧轻载操纵模式的封包设想，二次侧的电流导通样态也会有所分歧。有些一次侧闸极脉冲并不会让二次侧呈现出导通电流，而有些则只会导通部份时候。甚至在停止时间内，共振腔残剩的电流导通一次侧功率开关本体二极管（body diode）时，二次侧偶然也会有长久的电流导通。

当二次侧导通电流时，首先会让 SR 功率开关的本体导通。此时，SR 控制器会侦测到 VD 与 VS 电位差的低准位，进而送出 VG 脉冲。然而，在轻载操纵模式中，二次侧的电流会忽大忽小、忽长忽短、忽有忽无，这对 SR 控制器来讲带来更多挑衅。

参数调解计谋

幸好，NCP4318 拥有可调整的参数，能够透过调解其同意调解的部份参数来增长其与轻载操纵模式的兼容性。如下列出较相干的参数及描绘其分手的调解偏向：

一、收缩 tON-DLY2

NCP4318 的 tON-DLY2 设想，究其起因，是为了操纵于低于谐振频次模式（below resonance）的 LLC 电源转换器，在轻载时的二次侧电流导通特点所设想的机制。只要在触发到 NCP4318 的负电流侦测（SRCINV），或是脉冲跳频模式（skip mode）时，一次侧无脉冲的时候达足够长度（tGRN2-ENT），DLY_EN 旗标即会转态为 HIGH。而负电流侦测在种种轻载的刹时过程当中都很轻易触发。比方，重载跳到轻载，或是在轻载时的脉冲跳频模式的收支进程，都很轻易在二次侧电流减少并收缩其导通时候的切换周期里，触发到负电流侦测。是以，在轻载状态下，NCP4318 的 DLY_EN 旗标平日为 HIGH。

图 4低于谐振频次模式的轻载二次侧电流典范特点

关于拥有轻载操纵模式的控制器，设想上通常会让应当导通电流的闸极脉冲都能导通至关的电流，而每一个脉冲的波宽亦偏向不如低于谐振频次模式那样长，而是更近于高于谐振频次模式（above resonance）的波形。是以，如图 4那样需求至关长度 tON-DLY2 的状态平日其实不常见于轻载操纵模式。基于增长 SR 功率开关的利用率的思量，倡议将 tON-DLY2 参数设定得较短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短能够设定到240 ns。

二、减少 KTON1/2、tINV

因为在切换的进程轻易伴有如图 5所示的噪声，这些噪声大概会使 VDS 高过 VTH-OFF。是以，NCP4318 设想了最短导通时候（tON-MIN）来避免 VG 脉冲被过早地关断。NCP4318 的最短导通时候设想为基于前一个切换周期所测得的同步整流导通时候（SRCOND[n-1]）的一个流动比例。这个比例取决于 DLY_EN 旗目的状况，可所以 KTON1 或 KTON2 ，如图 2所示。在最短导通时间内，VTH-OFF 会被有效化，但 VG 依然能够透过维护机制（比方SRCINV）来关断。然而，透过维护机制关断 VG老是需求餍足一段耽误时候（delay time），这会使关断时候稍晚一些。SRCINV耽误时候为tINV假如 SR 闸极旌旗灯号由于其开关导通的电流由正转负而需要被关断，多等一段时候，也就让负电流积累一点时候，将在关断时造成同步整流功率打开较大电压应力由于操纵模式的电流时候会忽长忽短，为了防止此中由长变短时时候落入 tON-MIN以内能够将 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 设定得短一点。NCP4318供应的最短参数设定为 KTON1=34%、KTON2=17此外假如一次侧的短脉宽可调整倡议将它调整得比 KTON2 还长一些假如一次无奈略微拉长不免仍是需求透过 SRCINV 来关断 VG状态是以能够将 SRCINV耽误时候设定得短一点然则，要注意不要短得让如图 5的噪声触发了 SRCINV。NCP4318 的 tINV 可设定局限为170 ~ 620 ns。

图 5 VG导通时的VDS噪声

通常在一个闸极脉冲刚关断时间，为了避免遭到噪声影响而误触行动咱们会在关断以后加之一段最短关断时候（tOFF-MIN），以确保闸极旌旗灯号的关断状况至多维持这么一段时候。在图 3中提到操纵模式一般为在封包之间拔出停止时候调解能量通报。封包里的第一个脉冲和最初一个脉冲平日都落在同一个闸极旌旗灯号上，例如图 3的例子是在 Q2继续两个 Q2 脉冲假如停止时间比较短，同一个 SR 功率开关大概需要在关断不久后又即时守旧是以能够把 NCP4318 的 tOFF-MIN 设定为较短的选项比方，低频版本（NCP4318xLx）的 tOFF-MIN 参数能够此外抉择 700 ns；而高频版本（NCP4318xHx）的 tOFF-MIN 参数能够此外选为 500 ns。

图 6 tOFF-MIN使VG无奈及时守旧

综上所述，搭配操纵模式倡议的 NCP4318 参数挑选为短 tON-DLY2、小 KTON、短 tINV 和短 tOFF-MIN。在本文撰写还没有繁多版本的 NCP4318 将以上所提到的所有参数调整到极致依据本文撰写时 NCP4318 的规格手册今朝所有版本的 tON-DLY2 都是最短的设定拥有较小的 KTON 的版本有 NCP4318ALGP。至于 tINV，最短设定的版本包孕有 NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而 tOFF-MIN 设定为较短值的版本包孕 NCP4318ALS。

NCP4318的参数调解体式格局是封装后程控（in-package programming今朝产物目标是将每一种分歧设定做成个体可定购整机编号（orderable part number, OPN假如您有客制参数设定需要能够本地的 onsemi营业代表产物代理商联络。

表 1 NCP4318在本文写作当下的可定购版本列表