使用UCC24624同步整流器控制器提高LLC諧振轉(zhuǎn)換器的效率
發(fā)布時(shí)間:2019-05-22 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】LLC轉(zhuǎn)換器憑借簡單、高效的優(yōu)點(diǎn)而成為廣泛用于PC、服務(wù)器和電視電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其諧振操作可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān),從而成為高頻和高功率密度設(shè)計(jì)的理想選擇。此外,LLC轉(zhuǎn)換器采用電容濾波器,無需輸出濾波電感。有了電容濾波器,LLC轉(zhuǎn)換器還可以使用額定電壓較低的整流器,從而降低系統(tǒng)成本。此外,次級(jí)側(cè)整流器可實(shí)現(xiàn)零電流轉(zhuǎn)換,大大減少了反向恢復(fù)損耗。利用LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各項(xiàng)優(yōu)勢,可進(jìn)一步提高效率,降低輸出整流器的損耗。
用于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的同步整流器
使用二極管整流器時(shí),如圖1所示,全部輸出電流流過輸出二極管。對于低電壓或高輸出電流應(yīng)用,這些二極管整流器中存在顯著的效率損失和熱應(yīng)力。
圖1.帶二極管整流器的LLC轉(zhuǎn)換器
如果二極管用固定的正向電壓降VF建模,則可以基于等式1估計(jì)每個(gè)整流二極管的損耗。,采取這樣的方式計(jì)算,對于具有0.5V正向壓降的12V,10A輸出設(shè)計(jì)來說,每個(gè)二極管產(chǎn)生2.5W的損耗,這意味著總效率損失約為4%。
使用如圖2所示的同步整流器(SR),MOSFET上的電壓降可能遠(yuǎn)低于典型的二極管正向電壓。
對于相同的設(shè)計(jì),如果用MOSFET替換整流二極管,并通過適當(dāng)?shù)目刂?,可以使用公?計(jì)算傳導(dǎo)損耗,次級(jí)側(cè)電流形狀與圖3所示的正弦曲線類似。使用4 mΩ RDSon,每個(gè)整流器損耗可降至0.247 W,相當(dāng)于總效率損失0.4%。
圖2.帶同步整流器的LLC轉(zhuǎn)換器
圖3.LLC次級(jí)側(cè)電流
LLC同步整流器控制的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
可以通過監(jiān)測其漏極-源極電壓(VDS)來控制同步整流器。在同步整流器導(dǎo)通之前,電流流過其體二極管。體二極管正向電壓降可用于觸發(fā)同步整流器導(dǎo)通。在同步整流器導(dǎo)通后,其導(dǎo)通電阻變?yōu)殡娏鳈z測電阻,VDS可用于在電流反轉(zhuǎn)之前檢測電流以關(guān)斷同步整流器。盡管控制方法非常簡單,但LLC諧振轉(zhuǎn)換器同步整流器控制仍存在一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
同步整流器關(guān)斷時(shí)間:LLC同步整流器控制的最大挑戰(zhàn)是在正確的時(shí)間關(guān)斷同步整流器。與反激式轉(zhuǎn)換器不同,LLC同步整流器通常承載更高的電流并具有更高的di/dt。如圖4所示,檢測電壓VSENSE用于同步整流器控制。
它包括RDSon壓降(VSR)和由di/dt引起的封裝電感(LD,LS)上的偏移電壓。對于高di/dt和封裝電感,該偏移電壓可能很大并且同步整流器經(jīng)常過早關(guān)斷,這導(dǎo)致較長的體二極管導(dǎo)通時(shí)間和較大的傳導(dǎo)損耗。
圖4.同步整流器控制器檢測到的電壓
突發(fā)模式運(yùn)行:與LLC轉(zhuǎn)換器中使用的同步整流器相關(guān)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是突發(fā)模式運(yùn)行。在突發(fā)模式期間,兩個(gè)初級(jí)側(cè)開關(guān)都將關(guān)斷。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容器與LLC變壓器磁化電感器諧振。這種低頻寄生振蕩有潛在的可能使同步整流器錯(cuò)誤地導(dǎo)通并使輸出將能量傳遞到初級(jí)側(cè),這將導(dǎo)致更多的傳導(dǎo)損耗。
低待機(jī)功率:即使同步整流器節(jié)省了傳導(dǎo)損耗,由于控制電路和柵極驅(qū)動(dòng)器損耗,它們也會(huì)給系統(tǒng)增加額外的損耗。由于節(jié)省了大量傳導(dǎo)損耗,因此在較重負(fù)載下這種額外損耗微不足道。但是,在空載條件下,將SR控制器置于待機(jī)模式并使用SR體二極管進(jìn)行整流,可以高效地禁用SR控制器。
可靠性問題:由于電容濾波器的存在,如果兩個(gè)同步整流器同時(shí)導(dǎo)通,則輸出將通過變壓器短路,并且預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。防止兩個(gè)同步整流器同時(shí)導(dǎo)通至關(guān)重要,甚至應(yīng)該考慮到由電路噪聲引起的錯(cuò)誤觸發(fā)。
用于LLC轉(zhuǎn)換器的UCC24624同步整流器控制器
為了實(shí)現(xiàn)更好的LLC諧振轉(zhuǎn)換器效率,可引入U(xiǎn)CC24624雙同步整流器控制器與LLC控制器(如UCC25360系列)一起使用。
UCC24624實(shí)現(xiàn)了同步整流器控制的VDS檢測,以及針對LLC同步整流器控制挑戰(zhàn)的各種功能,使其成為實(shí)現(xiàn)高效LLC設(shè)計(jì)的理想解決方案。
為解決同步整流器提前關(guān)斷的挑戰(zhàn),UCC24624實(shí)現(xiàn)了比例柵極驅(qū)動(dòng),以及可調(diào)節(jié)的+ 10.5 mV關(guān)斷閾值。比例柵極驅(qū)動(dòng)在電流下降沿降低同步整流器柵極電壓。降低的柵極驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加同步整流器MOSFET RDSon,從而導(dǎo)致同步整流器上的壓降更高。這種增加的壓降超過了封裝電感引起的偏移電壓。加上正關(guān)斷閾值,UCC24624可將體二極管導(dǎo)通時(shí)間降至最低。為了使具有更高寄生電感的封裝(例如TO-220)更好地工作,通過使用從VSS引腳到同步整流器MOSFET源極引腳的外部偏移電阻,UCC24624可讓設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步提高其關(guān)斷閾值。這使得控制器更少受到MOSFET封裝的影響。
圖5.用于LLC轉(zhuǎn)換器的UCC24624雙同步整流器控制器
為了改善突發(fā)模式運(yùn)行,除了傳統(tǒng)的停機(jī)消隱的方式外,UCC24624還采用自適應(yīng)導(dǎo)通延遲時(shí)間。在正常運(yùn)行期間,導(dǎo)通延遲保持很短,從而縮短體二極管導(dǎo)通時(shí)間并提高效率。在突發(fā)模式運(yùn)行期間,同步整流器運(yùn)行從互補(bǔ)方式變?yōu)闊o轉(zhuǎn)換方式。UCC24624可通過這一指示檢測LLC是否已進(jìn)入突發(fā)模式運(yùn)行。這可增加導(dǎo)通延遲時(shí)間,有助于抑制寄生振蕩。在輕負(fù)載條件下,為提供額外的噪聲抑制,導(dǎo)通延遲也會(huì)增加。自適應(yīng)導(dǎo)通延遲時(shí)間的這一性能,有助于在不犧牲效率性能的情況下抑制噪聲。
UCC24624還具有內(nèi)置的自動(dòng)待機(jī)模式檢測電路,而無需使用外部元件。對于空載時(shí)的LLC轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器以突發(fā)模式運(yùn)行以調(diào)節(jié)輸出電壓。每個(gè)開關(guān)周期中的LLC同步整流器導(dǎo)通時(shí)間仍然很長,而轉(zhuǎn)換器的平均開關(guān)頻率非常低。UCC24624根據(jù)轉(zhuǎn)換器平均開關(guān)頻率檢測輕載條件。它可使控制器在空載時(shí)進(jìn)入待機(jī)模式,有助于實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗。
為了提高可靠性并防止兩個(gè)同步整流器同時(shí)導(dǎo)通,將互鎖邏輯應(yīng)用于同步整流器控制的兩個(gè)通道。在一個(gè)通道處于同步整流器導(dǎo)通時(shí)間期間,同時(shí)禁止另一個(gè)通道同步整流器導(dǎo)通。即使在系統(tǒng)噪聲的干擾下,互鎖邏輯仍可提高運(yùn)行的可靠性。
總結(jié)
憑借所有內(nèi)置智能以及TI UCC25630系列LLC控制器,UCC24624為LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的同步整流器控制提供了高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案。
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