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。

2.3.4 缩短高边第一个脉冲时间

启动时按正常开通时间打开高边MOSFET，第一个电流脉冲的幅度会很高，该峰值电流会造成干扰。TEA1713和TEA1613控制器把高边MOSFET的第一个导通时间缩短为只有正常导通时间的一半，因此原边电流初始幅度较低，可以快速达到稳定的工作状态(图4)。

a. 通常情况下第一次高边MOSFET导通时间。

b. 缩短高边导通时间后有限的峰值电流。

图4：缩短高边导通时间后的效果

3. 可靠性和安全性

提升开关式电源的可靠性与耐用性是减少返修和控制成本的关键因素。为此，恩智浦在TEA1613和TEA1713产品中增加了多重保护功能，为客户带来了真正完美的电源解决方案。

3.1容性模式保护

比较独特的保护功能是恩智浦正在申请专利的逐周期容性模式保护，它能够有效避免任何因容性模式对功率MOSFET可能造成的损害。有了它设计人员无须考虑与容性模式开关相关的MOSFET的反向恢复问题。因此，设计人员选用MOSFET器件时可以进行成本优化，不会影响整个电源系统的性能和可靠性。

谐振转换器通常工作在感性模式下，其开关频率高于谐振频率，利用功率MOSFET器件的零电压切换(ZVS)功能实现电源高效运行。对于输出短路电流、高脉动负载或市电降压等特殊情况，谐振回路的谐振频率短时间会高于工作频率，这将使得谐振回路变成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET关闭后电流会持续流经体二极管，半桥节点(HB)不会出现电压变化。此时打开另一个MOSFET会非常危险，因为带体二极管的MOSFET反向恢复时产生的峰值电流可以瞬时烧毁器件。TEA1713和TEA1613对于危险的容性模式工作提供了三重动作保护。

TEA1713和TEA1613自适应死区时间控制是第一重保护，可以延迟另一个MOSFET器件打开时间，直到电流恢复正常极性。MOSFET会在半桥斜坡结束后打开，因此可以确保电流已恢复正确安全的极性。参见图5。该功能可以防止MOSFET在体二极管未恢复时危险的开关动作。

图5;容性开关保护

容性模式发生后，谐振电流返回正常极性需要半个谐振周期，斜坡发生在半桥节点上。为了实现相对较长的等待时间，振荡器速度减慢直到检测到半桥斜坡起点。这是第二重保护动作。

第三重保护动作是在容性模式工作期间提高振荡器频率。该动作可以使转换器返回安全的感性模式。

3.2 具有补偿升压电压的两级过流保护

为了防止(短时)在大功率下运行导致元器件过热或者变压器饱和，恩智浦产品采用了两级过流保护设计。

第一步：电流较低时，通过调节频率来限制电流。该过流调节(OCR)功能在启动期间同样可以限制电流。

第二步：如果电流增加太快，OCR无法调节，比如输出短路。此时可采取更为有力的保护措施——立即将开关频率提到最高。这一过程也称为过流保护(OCP)。

谐振转换器的输入电压(升压后)通常由PFC产生，非常稳定。不过，在启动期间、市电降压、或者没有有源PFC的系统中，升压后的电压会比较低。因此，对于相同输出功率的谐振转换器，一次侧的电流会很高。TEA1713和TEA1613具有补偿升压电压功能，能够针对不同输入电压水平调整保护级别，因而可以提供更为准确的输出过流保护，增强电源负载保护能力，提高电源的使用安全。

图6给出了带升压电压补偿的OCR和OCP工作原理图。与升压后电压相关的电流从谐振控制器电流检测引脚流入/流出。利用外部串联电阻，设计人员可以自由设定补偿量。

图6：OCR和OCP的升压补偿

3.3 其他保护

TEA1713和TEA1613通过多重保护实现安全可靠的电源设计。过压保护(OVP输出)监控输出电压，保护负载。当反馈回路出现故障时，开环保护(OLP)动作。部分保护功能通过提高频率解决故障。如果增大频率无法解除故障，高频保护(HFP)将会探测到该故障并重新启动控制器。

有些保护，当超过保护电平时，可允许系统在有限的时间内工作。针对短时超限故障，系统集成了保护和重启定时器。如果超过预设时间后故障仍然存在，则控制器重新启动。定时器还可以设定重启时间。电源设计人员可以通过外部电容器和电阻器自行设定保护和重启时间。图7给出了保护和重启定时器的工作原理图。

图7：保护和重启计时器

4. 打嗝模式

有些应用，比如电源适配器，对轻载时的效率或空载下损耗有很高要求。打嗝模式是满足此类要求的好方法。在打嗝模式中，转换器工作较短时间后会有一个较长时间无动作过程。缩短开关时间可以显著减少开关和导通损失。

TEA1713和TEA1613控制器支持打嗝模式。激活打嗝模式可以控制PFC和HBC的开与关。对于HBC，两个MOSFET器件均关闭时控制器可记住开关频率。打嗝模式关闭后，HBC以相同频率继续执行开关动作。PFC以软启动开始工作。用外部控制器拉低TEA1713输出电压检测脚的电平，使HBC或HBC+PFC进入打嗝模式关闭状态。这种方法可以让设计人员更灵活地设计出更出色的激活打嗝模式的解决方案。

打嗝模式可以通过HBC反馈信号进行控制。利用比较器对比反馈信号与参考信号，可以产生打嗝模式开/闭信号。输出电压保持在可控范围内。TEA1613集成了打嗝模式比较器，可以通过外部电阻分压器设置优化打嗝电压。

打嗝电压检测点与来自PFC(升压)的HBC输入电压很有关系。对于使用无源PFC或者直接从市电降压情况，此电压会大幅波动，造成反馈电压大漂移。为了保证打嗝模式正常运行，最好要对打嗝参考电压进行补偿。为此，有时需要外接电阻连到升压电压，但该电阻容易增大功耗。TEA1613集成了升压电压补偿，与升压电压相关的电流从控制器打嗝检测输入端流出。电源设计人员可根据外部串联电阻器值，自由设定优化补偿量。

图8：突发模式

5. 控制器电源

5.1 灵活的控制器供电电源

TEA1713和TEA1613的供电电源来源非常灵活，可以采用变压器辅助绕组供电、PFC或市电整流后的高压供电，分立的待机电源供电，或者HB节点dV/dt供电。以下几种功能是实现TEA1713和TEA1613灵活电源形式的基础：

5.2 高压启动电源

高压启动电源从高压升压部分汲取电流，为控制器电源的缓冲电容器进行初始充电。当控制器电源充电结束后，半桥转换器开始工作，控制器即可通过变压器辅助绕组供电。随后集成的高压启动电源关闭，以减少功耗。这一点与采用外置启动电阻(泄漏电阻)的传统解决方案相比优势明显，因为外置电阻器会不断产生功耗。要获得出色的轻载效率，降低功耗至关重要。

5.3 控制器电源启动电压的自动选择

对于使用高压启动电源的系统，建议控制器电源采用高启动电压 (22V)。大的电压差(停止电压15V)可以使控制器在辅助绕组接管前通过缓冲电容器充电工作。

对于有独立待机电源的系统，可通过待机电源给控制器供电。由于待机电源具有连续稳定性，因此可以采用较低的启动电压(17V)。降低控制器启动电压可降低功耗。

TEA1713和TEA1613通过检测高压可以自动选择合适的启动电压。

5.4 较宽控制器电源工作电压范围

由于负载不同，变压器辅助绕组供电电压变化很大。TEA1713和TEA1613可承受15-38V电压波动，完全满足辅助绕组供电要求。内部集成串联调压器可产生稳定安全的11V电压供门极驱动器使用。由于无需外部串联调压器，可进一步降低外部器件使用成本。调整后稳定的电压可作为外部电路基准电压。

5.5 输出欠压检测和重启计时器

对于使用HBC变压器供电的控制器系统，当输出电压因过载或短路原因下降时，由于控制器输入电压也会降低，因此控制器会自动停止工作。如果控制器使用独立的待机电源，则不会自动停止工作。TEA1713和TEA1613集成了欠压检测测功能，可以对变压器辅助绕组输出电压进行检测。另外，由于集成了重启定时器，可以实现同样的保护功能。

5.6 禁用控制器

对于液晶电视和等离子电视，当电视开机时谐振电源成为主电源。当电视关闭时，功耗必须尽可能低。TEA1713和TEA1613都提供了专用使能输入引脚，可禁用内部电源，将控制器的消耗电流控制在最小状态。控制器的禁用功能使系统无需再用昂贵的机械式继电器来关闭谐振电源。

6. PFC

6.1 PFC拓扑简介

谐振电源通常用于大功率系统。对于大功率应用，一般要降低电源谐波。有源功率因数校正电路是此类问题的有效解决方案。TEA1713在单一芯片中集成了PFC控制器和谐振控制器。两种控制器集成后配合更方便，最大程度减少了外部器件数量(无需连接控制器接口)，为用户实现低成本高效的电源解决方案提供了可能。

PFC由升压拓扑电路构成(图9)。该拓扑形式可以产生恒定的高压，作为后续谐振转换器的输入电压。特殊的内置绿色功能可以实现各个功率级别的高效运行，支持大功率输出。准谐振非连续工作模式，带波谷跳跃和中 功率输出的准谐振工作模式和低功率输出打嗝模式。

图9：PFC拓扑

6.2 波谷检测

PFC工作在临界导通模式下。最大程度地减少开关损耗和提高效率，MOSFET在漏极电压最低时打开。控制器可以检测漏极电压和波谷(图10)。

图10：PFC波谷检测

6.3 母线电压补偿

固定输出电压升压转换器在非连续导通模式下的主要缺点是其环路增益依赖于输入(市电)电压。为补偿环路增益变化，需要测量PFC的输入(市电)电压。控制器内部使用一个与1/Vmains2成正比的因数来补偿调节环路。图11显示了带/不带环路补偿条件下负载变化产生的瞬时响应。

c.无市电补偿

d. 有市电补偿

图11：市电补偿改善瞬时响应

7. 恩智浦的控制器

7.1 TEA1713

高度集成的恩智浦TEA1713适用于小型低本高效的系统解决方案，由功率因数校正(PFC)控制器和谐振半桥(HBC)控制器构成。该产品采用24针SO封装形式，通过集成功率因素校正转换器和谐振转换器，为打造功能完备，高效、安全、可靠的电源提供了可能。

7.2 TEA1613

恩智浦TEA1613为纯谐振控制器。如果实际应用不适合采用集成PFC和HBC控制器的TEA1713器件，可以考虑TEA1613。该产品采用20针SO封装，具有TEA1713所有的HBC和供电功能。此外，TEA1613还集成了打嗝模式检测功能，在打嗝模式中，利用输出信号可停止外部PFC开关。