LLC控制:更快,更强,更好 - part 4

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那么对于一个 成功的 LLC 系统来说 或者是 LLC电源来说 什么样的 performance 什么样的表现才是最好的呢 我们认为是一个动态响应 是有好的动态响应 这是第一条 第二个就是有比较好的轻载效率 第三个就是可以能够有 ZCS 的保护的处理 第四个是它的动态 死区时间是可以动态调整的 也就是像这里边写的这个 LLC 来说什么是最重要的 就是快速的动态响应 非常低的待机功耗和轻载效率 还有 ZCS 的保护 容性区域的保护 还有非常低的系统成本 所有的这些特点 都可以使用 TI 的 UCC25630x 来满足可以实现 第一条关于 UCC25630x 的优点 还有它的特别之处 就是这个控制方式有了明显的改变 UCC25630 使用了全新的混合迟滞控制 这里叫做 HHC 传统的 LLC控制方法呢 使用的是直接频率控制 由电压环的输出作为 产生开关频率的一个唯一条件 但是这种控制方式呢 就会有一些不好的地方 第一个就是 使整个被控对象这个 是一个二阶的一个系统 然后它的电压环的波特图 会随着输入电压和负载的变化而变化 第三个就是补偿之后的电压环的 带宽是受限制的 而且它由于有比较低的相位裕量 而且它由于有比较低的相位裕量 UCC25630x 使用了这个创造性的 混合迟滞控制 UCC25630x 使用了这个创造性的 它可以让 LLC 这个被控对象 它可以让 LLC 这个被控对象 变成一个一阶系统 然后是非常容易去补偿 可以得到非常高的这个电压环带宽 这里我们就具体讲一下 什么是混合迟滞控制 混合迟滞控制 大家可以看出来的 有这样几个地方来组成 第一个就是 LLC 的输出电压的 电压环的补偿部分 产生一个 comp comp 的话 这里的 Vcomp 在芯片内部会做一个处理 芯片内部有一个共模电压为 Vcm 这里是一个 3V 的共模电 Vcm和 Vcomp 这两个元素组合在一起 产生一个滞环 形成一个上限和一个下限 上限就是VTH VTH 就等于 Vcm + 1/2 Vcomp VTL 等于 Vcm - 1/2 Vcomp 所以说就可以得到一个 这里得到一个滞环 这滞环的差就是 Vcomp 然后另外的话还有一个对象 是对谐振电容 对谐振电容用一个电容分压的网络 来得到谐振电容的纹波 交流纹波信号 然后把这个交流纹波信号 也和芯片内部的这个共模电压 Vcm 进行一个叠加 这样的话 就可以产生这样的一个信号 是谐振电容 代表了谐振电容的电压变化值 跟 VTH 和 VTL 进行比较 当谐振电容的这个电压超过 VTH 的时候 就会关断上管 当谐振电容的电压小于 VTL 的时候 就会关断下管 就这样一个产生波形的一个方法 我们认为当 LLC 上管开通的时候 输入电流 对谐振电容充电 就会在谐振电容上面得到一个电压的变化 也就是说这个谐振电容 这个上管开通的时候 这个谐振电容的变化 谐振电容的电压值变化 其实是应该和为 Vcomp 一一对等的 也就是说电压环的输出产生的这个 comp 就会实际上是代表了你所需要的功率 然后这里的输入电流的平均值 在谐振电容上的充电产生的这个 电压变化跟这个功率是一一对等的 这样的话就可以让 LLC控制 变成一个一阶的系统 这种控制方法 可以带来非常好的动态响应 可以看出来这里有一个对比的图 采用 UCC25630 这种控制方式的 从空载到满载跳变的时候 完全的空载到满载在跳变的时候 输出电压的跌落只有 1.25% 如果使用传统的这种频率控制的这种 电压型控制的方法 从空载到满载的切换 输出电压的跌落会超过 20% 我们可以从波特图的角度 更进一步的分析 这个动态响应的变好的原因 蓝色的这个曲线 左边这半部分的曲线是 LLC补偿之前的波特图 蓝色的是频率控制 增益曲线 这个是直接频率控制相位曲线 红色的是使用混合迟滞控制 增益曲线和相位曲线 右半部分呢是经过补偿器补偿之后的 很明显的看出 使用混合迟滞控制的它的系统 是一个一阶系统 补偿之后的带宽会远远大于 频率控制的这个带宽 而这个带宽可以做到 10K 在 10K 时候的相位裕量还有 60 度 所以这种控制方式是非常容易来补偿 这个是仿真出来的一个结果 然后我们也可以用实际的这个 电源的带宽波形波特图波形来做一个对比 上边的话是直接频率控制的结果 下边是一个混合迟滞控制 环路波特图 很明显混合迟滞是一个一阶系统 拥有更高的穿越频率 还有更高的相位裕量 当一个 LLC 拥有很好的动态响应的时候 就可以在系统成本上有一定的改进 这里是我们 UCC25630 在一个成功案例上面的应用 应用的终端是一个 65 英寸的 oled TV 它的功率最高会到 480 瓦 oled 电视对输出电压的动态 是有很高的要求的 可以它的在空载到满载切换的这个过程中 输出电压的纹波过冲跌落要小于正负 5% 使用 UCC25630 相对于之前的方案 因为动态的响应变得很好 可以省掉很多的这个原来的假负载 这里这一大片是使用 频率控制这种 LLC 控制器 需要加的一些假负载 总共是 1.7 瓦的一个假负载 1.7 瓦就可以降低很多的待机功耗 和提高轻载效率 很高的轻载效率 OK 下面我们讲一下 LLC 如何提高 LLC 在轻载时候的效率 这边的话是一个 LLC 的增益曲线 当负载变得很轻的时候 需要 LLC 提供的增益是非常低的 这样的话 LLC 就会进入 非常高的开关频率 一般在控制 LLC 轻载的时候会有两种方式 来使这个系统稳定 第一种就是把频率控制 改变为 PWM 的控制 PWM 控制的话 就是让开关频率是固定的 LLC 的这个原边 MOS 管的 duty 一直一直的减小 这种控制方式的话 是没有音频噪音的一些顾虑的 但是它的轻载效率是非常低的 待机功耗也是比较高的 而且在 LLC 这个里边 在 PWM 模式里边 LLC 一般都是一个硬开关 对 MOS 管的电压应力 是有比较高的要求的 另外一种在轻载的时候 LLC 稳定的方法就是让 LLC 进入 Burst Mode 就是一种间歇模式 在轻载的时候 间歇模式的话会提高轻载的效率 还有待机功耗 然后在间歇模式里边 ZVS 也是可以实现的 并不会遇到硬开关 硬开关的这种情况 但是 Burst Mode 有一点的 缺点就是处理不好的话 会遇到音频噪音的问题 25630 这边 Burst Mode 做了一些优化 来进一步的提高 Burst Mode 里面的效率 首先 这个 Burst Mode 的门槛值 是可以通过外围电路编程 然后它在 Burst Mode 里面的 每一个 burst pattern 里面的 开关周期数是固定的 固定了 15 根 这个是 UCC25630 的 Burst Mode 发波模式 而且这 Burst Mode 里面的 这 15 根的开关频率是固定的 这样的话可以让 Burst Mode 里边 谐振频率的峰值是一个 保持在同一个水平线上 可以对每一个开关周期的效率 都有很高的优化 这个是传统的一种 Burst Mode 模式的一个控制方式 当 Burst Mode 发波的时候 往往前面第一根的开关频率是低的 导致谐振频率的 导致 Burst Mode 里面的 谐振频率的峰值比较高 然后这个谐振电流 会慢慢慢慢的收敛到 很低的一个状况下 我们认为这种 Burst Mode 的效率 不如固定开关频率的这种效率来的高 为了降低待机功耗 我们从 IC 设计这边也做了很多的优化 第一个就是在从光耦反馈这一部分 这上面这个电路是传统的 LLC 控制器使用的光耦反馈电路 它通过一个光耦 产生一个 feedback 信号 feedback 信号会通过内部的 一个上拉电阻 拉到内部的基准电压上面去 为了降低 IC 的这个功耗 这个上拉电阻 一般选择的会比较大 来限制这个上拉电阻的功耗 但是这个上拉电阻如果选择比较大 它会和 FB 脚 Feedback 脚的 一个寄生电容产生一个极点 会对 LLC补偿网络有影响 导致 LLC 的电压环的带宽 不会做得很高 下面这半部分是 25630 的一个 光耦反馈的一个电路 我们对它进行了优化 把电压把这种上拉 通过上拉电阻拉到内部基准电压的方式 改变成了一个上拉电流源的方式 外部的光耦 从这个电流源抽取一部分电流 剩下的这一部分电流 就会在内部的一个电阻上 产生一个电压降 这个电压降就是电压环的输出为 Vcomp 而且这个 FB 脚的这个电压 在内部是被钳位在 6V 这样的话可以让 FB 脚 没有一个充放电的动作 然后 FB 脚的寄生电容 对环路的补偿是没有任何影响的 这种方式可以有效地降低 IC 的一个功耗 然后电压环的带宽是不会受到影响的 选择光耦的时候 我们这边有一定的推荐 第一个就是选择这个 CTR 比较高的光耦 选择光耦的显然速度比较快的 上升时间和 Turn on 时间都要小于 最好是小于五个微秒 能够得到比较好的 从空载到满载的一个动态响应 然后选择的光耦的 CTR 的 变化范围要比较小 最大的我们推荐是 最大跟最小的这个倍数是小于两倍的 使用了 25630 确实可以得到很低的这个待机功耗 这边是我们做的一个 一个系统上面的一个对比 使用同样的功率器件 直接更换 IC 这边的话是竞争对手 一个竞争对手的 它的待机功耗的表现 右边的话是 UCC25630 的一个 待机功耗的表现 总体上来讲 UCC在5630 是可以达到 比竞争对手要小 10% 的一个待机功耗 UCC25630 也集成了这个 ZCS 保护 为什么这 ZCS 区间对 LLC 是不好的呢 LLC 进入 ZCS 区域的话 LLC 就会丧失掉这个 ZVS 的条件 会有几率让原边的 MOS 管 会产生一个直通的现象 因为在 ZCS 区域的时候 假设上管是正在反向恢复的时候 上管的体二极管正在反向恢复的时候 下管在开通 这样的话会让 原边 MOS 管产生一个短时直通的现象 然后 EMI 的话也会比 在容性区域的 EMI 的问题 也会比感性区域的要差 因为在容性区域的开关频率的增加 会带来 LLC 增益的增加 所以说容性区域相对于感性区域的 如果这个感性区域是一个负反馈 当进入容性区域的话 就变成了一个正反馈 我们这里有一张图是说 原边 MOS 管的反向恢复电流 和正向电流的一个趋势 如果说进入到 ZCS 区域 原边 MOS 管的体二级管 会存在着一个反向恢复的一个过程 这个反应恢复电流 就会影响到 原边 MOS 管的 直通时候的直通电流 所以说一般对 LLC 进行 ZCS 保护的方法 选择比较好的这个 MOS 管 它拥有比较快速的反向恢复特性 可以降低这个反向恢复电流来保护 MOS 管 另外一个特点 另外一个方法呢就是 限制 LLC 的最低开关频率 LLC 的最低开关频率大于 最高增益点对应的这个谐振频率 但是这样也会有一定的坏处 可以在做输出电压掉电保持时间的时候 就不能够充分的利用到 LLC 的这个增益 25630 的话 这边就加入了 自动检测 ZCS 的这种处理方式 可以规避掉 ZCS 里边所带来的缺点 25630 是如何来实现 ZCS 保护的呢 它这边是有两个检测方式 它这边是有两个检测方式 它会检测谐振电流 通过谐振电流送入 IC 专门的电流检测 pin 脚 UCC25630 在芯片内部 会对上管关断时候 上管关断时刻和下管关断时刻 分别来检测谐振电流的极性 正常的 LLC 工作在感性区域时候是 当上管关断时 谐振电流的极性是正向的 当下管关断时 谐振电流的极性是负向的 如果在上管检测跟下管检测时候 这个极性是相反是反的 就证明发生了容性进入 证明 LLC 进入了 ZCS 区域 进入了容性区域 就像这里表示的一样 下管关断的时候 谐振电流的极性变成了正向的 这是代表着芯片 LLC 已经进入了容性区域 容性区域对 LLC 是比较危险的 所以说控制芯片要对这种区域 这种状况进行保护 UCC25630 如果检测到了 ZCS 的发生 还会停止 MOS 管的 下一个 MOS 管的开通 它要等到桥臂中点再次翻转的时候 再开通上管或者对应的下管 而且再次开通时候的开关频率 是进行一个软启动的操作 也就说 ZCS 发生之前的这个开关频率 要比重新恢复时候的开关频率要低得多 比较高的开关频率 可以让 LLC 远离容性区域 这是一个容性区域保护的一个想法 另外为了提高 提高 LLC 的效率 LLC 尽可能的实现软开关 LLC 的上下管的死区时间 最好是可以动态调整的 UCC25630 是可以做到在每个开关周期内 都对原边 MOS 管的桥臂中点进行斜率检测 来确保 MOS 管产生了 ZVS 开通的条件 来确保 MOS 管产生了 ZVS 开通的条件 才会开通相应的 MOS 管 这样的话 它的上下管的死区时间 就是一个动态调整的 死区时间的动态调整 是可以提高最优的一个效率表现 另外的话 UCC25630 也集成了 X 电容放电的这个功能 X 电容一般都是用到 EMI 滤波器里边 来滤除差模噪音 但是在从安规的角度上来说 AC 当一个电源从 AC 交流网络上面 拔开之后 是希望 AC 端口的电压 很快的下降到安全电压以下 可以这样 之前的应用方式呢都是使用 专门的 X 电容的放电 IC 或者是对待机功耗不好的 电阻来放电的 UCC25630 系列集成了 X 电容的放电 它可以有效地省掉 X 电容 放电 IC 或者是放电电阻 这个波形显示的是 交流电压等于 264 伏的时候 然后随机的断开 AC 这个地方断 AC 完全是在一个峰值的时候 AC 呢从 264 伏掉到 30 伏 所需要的时间只有 700ms 所需要的时间只有 700ms 是完全能够满足安规要求的 当然 UCC25630 也集成了高压启动的线路 它在 HV 脚是一个高压启动 通过一个高压启动电阻 它内部会产生一个电流 给 VCC 外面接的电容充电 给 VCC 外面接的电容充电 实现一个自供电的一个操作 可以省掉外部 可以省掉外部的辅助电源的成本 所以说我们回到最刚开始讲的 这个 AC-DC 这种电源的一个架构的话 25630 因为它集成了很多的功能 它可以省掉 X 电容的放电的控制芯片 或者是电阻 也可以省掉辅助电源 可以省掉高压的驱动 然后还可以是省掉 控制 PFC 开通关断的这样一部分电路 最后我们可以给大家介绍几个 快速熟悉 UCC25630 的一些工具 第一个是 UCC25630 的一个 一个 EVM 还有一些参考设计 假如说是 PMP20795 还有针对 LCC 做了一个参考设计 PMP20946 这些大家都可以在网络上来下载相应的资料 好 感谢大家的收听 谢谢
课程介绍 共计4课时,42分15秒

HVI系列 - LLC 控制:更快,更强,更好

TI 电源 LLC HHC HVI系列培训

讲解 LLC 为什么会这么流行的原因?如何让 LLC 设计的更快,更强,更好?内容包括对比 LLC 和其他拓扑的优缺点,LLC 的关键特点和设计实例,以及如何使用 HHC 得到更快的动态响应并提高轻载效率的间歇模式

讲师

讲师: TI_Yunsheng.Qu

拥有电气工程专业硕士学位。主要致力于高压隔离电源拓扑和控制方法的研究,包括通信电源、服务器电源、HVDC、车载充电器等。

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