必易微半橋LLC諧振型開關(guān)電源控制器KPE2592X

電流模式控制750kHz 650V

主要特點(diǎn)

電流模式控制，開關(guān)頻率最高750kHz

集成650V半橋驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力+1A/-1.5A

高壓自啟動(dòng)功能，專用的PFC級(jí)供電管腳

自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制

打隔模式可配置，外置過熱保護(hù)

新品推出背景

與傳統(tǒng)的 PWM 變換器相比，諧振型變換器通過控制開關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，這帶來(lái)諸多優(yōu)點(diǎn)，如更高的效率，更好的 EMI 特性，較少的無(wú)源器件等。

相對(duì)于其它諧振型變換器，LLC 諧振型變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān) (ZVS)，以較窄的頻率變化區(qū)間實(shí)現(xiàn)寬增益范圍，諧振環(huán)流更小。因此，它已成為中高功率應(yīng)用中最熱門的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

必易微在 2022 年已推出高性能電壓模式控制，半橋 LLC 諧振型開關(guān)電源控制器 KPE2591X，目前已在大家電、工業(yè)電源、電動(dòng)車充電器、中大功率適配器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

電壓模式控制局限性

電壓模式控制 (Voltage Mode，VM) 通過高精度電壓控制振蕩器 (VCO) 調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，其控制策略簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，適用于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化較小的應(yīng)用場(chǎng)合。然而，電壓模式控制存在以下局限性：

局限一

環(huán)路響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能變差

電壓模式控制本質(zhì)上是單電壓環(huán)控制，諧振腔信號(hào)并未直接參與閉環(huán)反饋控制，也未建立輸入電壓前饋機(jī)制。當(dāng)輸入電壓或者輸出負(fù)載發(fā)生變化后，系統(tǒng)需要等待輸出電壓出現(xiàn)變化后，通過較慢的反饋環(huán)路去影響 VCO 的參考電壓，進(jìn)而改變開關(guān)頻率，調(diào)節(jié)諧振腔增益，最終達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。這一過程導(dǎo)致環(huán)路響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能變差。

圖 1 |電壓模式控制原理框圖

局限二

啟動(dòng)過程中電流過沖大

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由于輸出端配置了較大容量的電解電容，即便引入了軟啟動(dòng)邏輯 (例如開關(guān)頻率從最高值逐步降低)，但由于環(huán)路響應(yīng)速度較慢，啟動(dòng)過程中電流過沖仍然很大。

圖2 |KPE2591X 空載啟動(dòng)波形

局限三

過流保護(hù)延時(shí)較長(zhǎng)

控制芯片需設(shè)置單獨(dú)的管腳用于過流保護(hù)功能，以應(yīng)對(duì)啟動(dòng)，短路等惡劣工況。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，輸出端的大容量電解電容初始電壓為 0V，相當(dāng)于短路。為了避免啟動(dòng)過程中誤觸發(fā)過流保護(hù)，過流保護(hù)延時(shí)需設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)，通常為 10ms 以上。

局限四

環(huán)路參數(shù)調(diào)試?yán)щy

在電壓模式控制下，頻率控制到輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)存在二階極點(diǎn)，這使得環(huán)路不容易穩(wěn)定，需引入環(huán)路補(bǔ)償電路以降低系統(tǒng)的穿越頻率，從而避開雙極點(diǎn)的不利影響。然而，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬顯著降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢。此外，環(huán)路補(bǔ)償電路通常需要設(shè)計(jì)為多極點(diǎn)多零點(diǎn)系統(tǒng)，這使得環(huán)路參數(shù)調(diào)試?yán)щy。

圖 3 |電壓模式控制，頻率控制到輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)

針對(duì)上述應(yīng)用痛點(diǎn)，必易微推出高性能，電流模式控制 (Current Mode，CM)，半橋 LLC 諧振型開關(guān)電源控制器 KPE2592X，以提供中高功率下高性能的 LLC 解決方案。

圖 4 |KPE2592X 典型系統(tǒng)應(yīng)用框圖

電流模式控制的優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)一

雙環(huán)控制策略

電流模式控制本質(zhì)上是一種電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。通過檢測(cè)諧振腔的信號(hào) (諧振電感電流積分，或者諧振電容電壓)，與電壓外環(huán)形成的參考信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。由于諧振腔信號(hào)直接參與閉環(huán)控制，環(huán)路延遲時(shí)間顯著縮短。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，流入諧振腔的能量相應(yīng)變化，因此電流模式控制在功能上等效于引入了輸入電壓前饋機(jī)制。

圖 5 |電流控制模式原理框圖

優(yōu)勢(shì)二

動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快

引入電流內(nèi)環(huán)后，控制到輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下圖所示，在整個(gè)低頻段內(nèi)均表現(xiàn)為一階系統(tǒng)的特性。這種特性使得環(huán)路易于穩(wěn)定，環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)容易調(diào)試。同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的穿越頻率，從而顯著提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖 6 |電流模式控制，控制到輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)

優(yōu)勢(shì)三

啟動(dòng)電流過沖小

在啟動(dòng)過程中，除了通過逐步降低開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，芯片還直接控制諧振電容電壓的振幅逐步增加，從而限制了諧振腔的輸出能量，因此啟動(dòng)電流過沖小。

圖 7 |KPE2592X 滿載啟動(dòng)和空載啟動(dòng)波形

優(yōu)勢(shì)四

短路保護(hù)快

在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，諧振腔能量會(huì)迅速累積，芯片通過檢測(cè)諧振腔的信號(hào)后，能夠快速識(shí)別短路狀態(tài)并觸發(fā)保護(hù)，從而無(wú)需額外增設(shè)專用的過流保護(hù)管腳。

圖 8 |KPE2592X 短路保護(hù)波形

KPE2592X 的產(chǎn)品亮點(diǎn)

KPE2592X 是一款基于半橋型 LLC 諧振變換器的諧振型開關(guān)電源控制器。芯片集成 650V 半橋驅(qū)動(dòng)，可直接輸出 50% 占空比的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)。芯片基于電流模式控制，最高工作頻率達(dá)到 750kHz。

圖 9 |KPE2592X 芯片引腳圖

KPE2592X 具有諸多優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高性能，高可靠性的 LLC 功能。

亮點(diǎn)一

自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制

芯片內(nèi)部設(shè)定最小死區(qū)時(shí)間和最大死區(qū)時(shí)間，并通過檢測(cè) HB 管腳的電壓變化斜率 dv/dt，用于自適應(yīng)地控制死區(qū)時(shí)間的大小。

圖 10 |KPE2592X 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制波形

亮點(diǎn)二

進(jìn)打嗝模式閾值可調(diào)節(jié)

當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步降低時(shí)，為維持輸出電壓穩(wěn)定，并降低輕載損耗，LLC 會(huì)進(jìn)入打嗝模式?？赏ㄟ^配置 BURST 管腳對(duì)地電阻，調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)入打嗝模式的功率點(diǎn)。

圖 11 |KPE2592X 進(jìn)打嗝模式波形

亮點(diǎn)三

可配置 OTP 及輸出 OVP 功能

當(dāng)變壓器的輔助繞組和副邊繞組耦合，輔助繞組整流后的電壓與輸出電壓成比例，芯片通過 PRT 管腳檢測(cè)輔助繞組整流后的電壓，實(shí)現(xiàn)輸出 OVP 功能。這樣可以減小一路用于輸出 OVP 檢測(cè)的光耦，降低成本；或可作為冗余的輸出 OVP 功能，提高系統(tǒng)可靠性。

當(dāng) PRT 管腳外接 NTC 電阻時(shí)，隨著環(huán)溫增加，NTC 電阻阻值減小，PRT 管腳電壓降低到保護(hù)閾值時(shí)，則觸發(fā) OTP，芯片進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

芯片 PRT 管腳集成上述兩種功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且參數(shù)配置靈活。

圖 12 |KPE2592X 外置 OTP 及輸出 OVP 配置圖

亮點(diǎn)四

BOP 功能，且閾值可調(diào)節(jié)

芯片設(shè)計(jì)有單獨(dú)的管腳 BR 進(jìn)行輸入欠壓保護(hù) (Brownout Protection, BOP）。通過調(diào)節(jié)外部分壓電阻的阻值，可精確配置系統(tǒng)進(jìn)入 BOP 狀態(tài)的輸入電壓閾值及恢復(fù)遲滯電壓。此功能可實(shí)現(xiàn) PFC + LLC 兩級(jí)系統(tǒng)之間的合理啟動(dòng)時(shí)序：即在 PFC 母線電壓建立后，LLC 才開始啟動(dòng)，從而避免啟動(dòng)過程中因母線電壓不足而導(dǎo)致 LLC 誤觸發(fā)過載保護(hù)。此外，當(dāng)輸入電壓跌落時(shí)，BOP 功能可防止 LLC 因諧振腔增益不夠而進(jìn)入容性工作區(qū)，提高系統(tǒng)可靠性。

亮點(diǎn)五

高壓自供電及專用的 PFC 供電管腳

在中小功率應(yīng)用場(chǎng)景中，基于 KPE2592X 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無(wú)需額外配置啟動(dòng)電路及獨(dú)立的供電電路。

芯片通過 HV 管腳實(shí)現(xiàn)高壓自供電功能，完成 VDD 電壓建立，當(dāng)輔助繞組供電建立后，HV 供電自動(dòng)停止，以降低芯片功耗。

芯片設(shè)計(jì)有 PFCVDD 管腳，用于為前級(jí) PFC 控制器供電。當(dāng) VDD 電壓上升到 16V 時(shí)，PFCVDD 管腳才開始輸出電壓。這一設(shè)計(jì)確保前級(jí) PFC 啟動(dòng)時(shí) VDD 電壓處于較高值，避免因 VDD 欠壓保護(hù)而啟動(dòng)失敗。

當(dāng) LLC 后級(jí)檢測(cè)到故障后，會(huì)關(guān)閉 PFCVDD 管腳的輸出電壓，PFC 隨之停止工作，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

亮點(diǎn)六

軟啟動(dòng)功能，啟動(dòng)電流過沖小

芯片進(jìn)入軟啟動(dòng)階段后，驅(qū)動(dòng)脈寬逐步增加，且內(nèi)部集成了閉環(huán)參考信號(hào)逐步建立的功能，直至外部反饋電壓 FB 接管閉環(huán)控制。因此，啟動(dòng)電流過沖小，軟啟動(dòng)階段到正常閉環(huán)階段的切換平穩(wěn)過渡，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖 13 | KPE2592X 軟啟動(dòng)階段波形

亮點(diǎn)七

過載功率點(diǎn)可調(diào)節(jié)

芯片通過電容分壓采集諧振電容電壓并送到 VCR 管腳，用于閉環(huán)反饋控制。通過改變采樣電容分壓的比例，可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率能力。

亮點(diǎn)八

完備的保護(hù)功能

表 1 | 芯片保護(hù)功能列表

KPE2592X 版本選擇

KPE2592X 具有較多的可配置參數(shù)，目前可供貨的版本有 KPE2592A 和 KPE2592B，對(duì)于輕載效率及紋波無(wú)嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場(chǎng)合，推薦使用 KPE2592B 版本。若有其它參數(shù)變更的需求，請(qǐng)聯(lián)系我司銷售。

表 2 | KPE2592X 不同版本對(duì)應(yīng)參數(shù)選型

總結(jié)

基于半橋 LLC 諧振變換器架構(gòu)的 KPE2592X，適用于中大功率的 LLC 應(yīng)用場(chǎng)合 (100W~3000W)，有利于高功率密度，高效率，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及高可靠性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。芯片支持最高 750kHz 的開關(guān)頻率，滿足高頻化設(shè)計(jì)需求。芯片參數(shù)配置靈活，可配置功能齊全，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。芯片集成完備的保護(hù)功能，并采用高可靠性的半橋驅(qū)動(dòng)技術(shù)，確保 LLC 電路在各種工況下均能可靠工作。

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