必易微半橋LLC諧振型開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(guò)高精度電壓控制振蕩器 (VCO) 調(diào)節(jié)開(kāi)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(guò)較慢的反饋環(huán)路去影響 VCO 的參考電壓，進(jìn)而改變開(kāi)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(guò)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(guò)程中電流過(guò)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(kāi)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(guò)程中電流過(guò)沖仍然很大。

圖2 |KPE2591X 空載啟動(dòng)波形

局限三

過(guò)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(guò)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(guò)程中誤觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)沖小

在啟動(dòng)過(guò)程中，除了通過(guò)逐步降低開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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。可通過(guò)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(guò) 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(guò)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(kāi)始啟動(dòng)，從而避免啟動(dòng)過(guò)程中因母線電壓不足而導(dǎo)致 LLC 誤觸發(fā)過(guò)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(guò) 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(kāi)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(guò)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(guò)沖小，軟啟動(dòng)階段到正常閉環(huán)階段的切換平穩(wěn)過(guò)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(guò)載功率點(diǎn)可調(diào)節(jié)

芯片通過(guò)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(guò)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(kāi)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。

關(guān)于必易微

深圳市必易微電子股份有限公司（股票代碼：688045）是一家高性能模擬及數(shù)模混合集成電路供應(yīng)商，主研產(chǎn)品包括 AC-DC、DC-DC、驅(qū)動(dòng) IC、保護(hù) IC、線性穩(wěn)壓、電池管理、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、隔離與接口、微控制器等，為消費(fèi)電子、工業(yè)控制、智能物聯(lián)、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等領(lǐng)域客戶提供一站式芯片解決方案和系統(tǒng)集成服務(wù)。