大功率应用的高能效电源设计方案

在当今的高效能电子系统中，大功率电源设计变得越来越重要。这些系统通常要求电源具备高效率、高可靠性和低待机能耗，特别是在大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗设备等领域。本文详细介绍了一种基于LLC拓扑和电流模式控制的高能效电源设计方案，重点分析该方案的优势、工作原理和实现细节。

一、引言

随着科技的不断发展，电子设备对电源性能的要求也在不断提高。特别是在大功率应用中，传统电压模式控制的电源系统已经无法满足当前的高能效和低待机能耗需求。因此，需要一种新的电源设计方案来突破这些限制。本文提出采用LLC拓扑和电流模式控制的电源设计方案，以满足大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗设备等大功率应用的需求。

二、LLC拓扑及其优势

LLC（LLC Resonant Converter）拓扑结构在200W-600W电源应用中相当普及，尤其在需要高能效开关电源的方案中表现出色。LLC拓扑结构具有以下显著优势：

1. 高效率：LLC谐振转换器在中度负载和满载时能够实现高效率，这是由于初级端MOSFET的零电压开关（ZVS）和次级端整流器的零电流开关（ZCS）共同作用的结果。

2. 高可靠性：LLC拓扑结构相对简单，元器件数量较少，有助于提升系统的可靠性。

3. 良好的动态响应：LLC拓扑结构能够提供快速的动态响应，从而满足现代电子系统对电源响应速度的要求。

4. 低待机能耗：在待机模式下，LLC拓扑结构可以通过降低开关频率和关闭部分电路来降低待机能耗。

三、电流模式控制与传统电压模式控制的比较

传统的电压模式LLC控制器通过次级稳压器改变压控振荡器（VCO）频率来实现稳压。然而，这种方法存在以下限制：

1. 瞬态响应慢：由于没有直接连接到初级端电流，电压模式控制器在输出产生瞬态变化（如由空载转至满载）时，瞬态响应会比较慢。

2. 额外的保护电路：电压模式控制器需要添加额外的电路系统以提供过载及短路保护。

3. 硬开关问题：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。

相比之下，电流模式控制具有以下优势：

1. 更快速的动态响应：电流模式控制直接监测初级端电流，能够提供更快速的动态响应。

2. 更高的能效：电流模式控制可以提供比电压模式控制更高的轻载及平均能效。

3. 无需辅助电源：电流模式控制在待机模式下无需辅助电源即可实现超低待机能耗。

四、电流模式控制的LLC AC-DC控制器NCP1399

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。该器件具有以下特点：

1. 600V门极驱动器：简化布局并减少外部元件数。

2. 跳周期模式：提升轻载能效。

3. 集成保护特性：提升系统可靠性。

4. 高能效及超低待机能耗：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。

五、NCP1399的工作原理

NCP1399的工作原理主要包括以下几个方面：

1. 电流模式控制：由于谐振电容集成初级电流（Iprimary），Vcs电压与初级电流成正比。在关断期间，Vcs电压有正或负斜率，且关断时的Vcs电压几乎是线性地依赖于负载电流。因此，可以通过Vcs与初级电流的关系以及Vcs分压实现电流模式LLC控制。

2. 自动调节死区时间（DeadTime, DT）：DT期的作用在于避免功率MOSFET的交叉导通，从而防止过电流对系统的损毁。NCP1399采用专有方式，当检测到零电压开关（ZVS）转换时，dV/dt传感器监测HB引脚斜率，并提供逻辑信号，从而根据谐振回路参数优化调节DT。

3. 跳周期模式技术：NCP1399采用专有的跳周期模式技术，基于FB引脚电压电平执行跳周期模式。当VFB降至低于预选跳周期水平时，IC经由专用关断序列进入跳周期模式。在这种运行模式下，IC功耗降低，PFC段及使用PFC模式引脚的BO/PFC FB高压分压器可被禁用。

4. PFC导通/关断功能：PFC导通/关断功能基于FB引脚电压监测来完成。PFC预设的计时器（Timer）用来克服瞬态期间的问题，三态输出控制PFC FB/LLC Brown-Out（BO）分压器和PFC VCC。这PFC导通/关断功能在跳周期模式可降低轻载能耗。

5. 软启动和过载保护：NCP1399使用软启动计数器和D/A转换器，实现数字非线性软启动序列。过载保护通过FB引脚电压检测实现。当使用NCP1399发生次级短路时，FB引脚电压上升，当FB引脚电压达到最大值时，故障计时器/计数器启动，控制器禁用驱动脉冲并进入保护模式。

六、NCP1399的典型应用

NCP1399有两个版本：Active OFF关断模式（NCP1399Ax）和Active ON关断模式（NCP1399Bx）。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。

1. 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。

2. NCP1399Bx：采用内部设定的“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。

在具体应用中，NCP1399的控制算法如下：

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。

七、实验验证与性能分析

为了验证NCP1399的性能，进行了相关实验。实验结果显示，当输入电压为110V和230V，输出电流在0-20A范围内时，NCP1399的能效高达90%以上。这充分证明了该方案在高能效和低待机能耗方面的优势。

八、NCP1399的可编程功能与灵活性

NCP1399内置许多可编程功能，包括：

1. 空载期钳位和故障选项。

2. TSD阈值。

3. 使用可调节的阈值选择Remote和关断模式。

4. VCC导通/关断阈值。

5. CS偏置和斜率补偿增益。

6. 提供CS LEB。

7. 跳周期模式的内外阈值。

8. 故障计时器/计数器及其持续时间，包括自动恢复计时器、累积或非累积选择。

9. OTP/OVP闩锁或自动恢复选择。

10. BO选择（IBO, VBO, 跳周期期间功能）。

11. 最大导通时间故障检测（导通时间和闩锁/自动恢复）。

12. 启动序列的第1个Mupper和Mlower脉冲宽度。

13. 软启动增量影响软启动持续时间。

14. P ON/OFF功能的激活和滞后以及计时器功能等。

这些可编程功能使得设计师可以根据具体应用对参数进行调整和优化，从而提供设计灵活性并加快产品上市。

九、结论

本文介绍了一种基于LLC拓扑和电流模式控制的高能效电源设计方案。该方案采用安森美半导体的NCP1399控制IC，实现了高能效、低待机能耗和高可靠性。实验结果表明，该方案在输入电压为110V和230V，输出电流在0-20A范围内时，能效高达90%以上。此外，NCP1399还内置了许多可编程功能，使得设计师可以根据具体应用对参数进行调整和优化。因此，该方案在大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗等大功率电源系统应用中具有广阔的应用前景。

通过本文的介绍和分析，可以看出，采用LLC拓扑和电流模式控制的高能效电源设计方案在大功率应用中具有显著的优势。该方案不仅提高了电源的能效和可靠性，还降低了待机能耗和成本。随着科技的不断进步和电子设备对电源性能要求的不断提高，该方案将会得到更广泛的应用和推广。