基于安森美半导体的NCP1399设计大屏电视等大功率应用的高能效电源
llc拓扑在200 w-600 w电源应用中相当普及，尤其在需要高能效开关电源的方案。有别于市场上采用传统电压控制工作模式的`llc方案，安森美半导体的ncp1399是业界首款采用电流控制模式的llc ac-dc控制ic。该器件应用600 v门极驱动器简化布局并减少外部元件数，采用跳周期模式提升轻载能效，并集成一系列保护特性以提升系统可靠性，用于大屏幕电视、一体化电脑、工业及医疗等大功率电源系统应用，可显著实现轻载和满载时的高能效及超低待机能耗。
传统电压模式llc的限制
传统的电压模式llc控制器是通过次级稳压器改变压控振荡器（vco）频率，从而实现稳压。由于没有直接连接到初级端电流，所以需要添加额外的电路系统以提供过载及短路保护。当输出产生瞬态变化（如由空载转至满载） 时，瞬态响应会比较慢。而且，llc启动行为受谐振回路的元器件、实际的谐振电容电压、启动阶段的输出电压、启动大电流电压和初始导通时间等初始条件影响，在所有条件下避免硬开关是不太容易的。当应用进入待机模式时，为降低待机能耗，系统会关闭pfc及llc，但同时需要系统里有辅助电源来维持mcu及周边元器件待机时的最低工作条件，增加了系统成本。
电流模式llc的优势
相同条件下，电流模式llc可提供比传统电压模式llc高得多的 fo，从这波特图可以看出。
图1. 波特图
因此，在动态负载响应方面，电流模式llc比电压模式llc提供更低压降、更低过冲（overshoot）和更快稳定响应；在线形纹波抑制方面，电流模式llc 控制抑制线性纹波比vco llc好5倍，其与vbulk有关的vout 纹波甚至可以忽 略不计；在线形瞬态方面，电流模式llc控制提供较 vco llc控制小10倍的过冲和小10倍的压降。
ncp1399 应用原理及电流模式控制算法
ncp1399有active off 关断模式 （ncp1399ax） 和active on关断模式 （ncp1399bx）两个版本。如图2 所示，两个版本均采用业界首款6引脚pfc控制器ncp1602，与ncp1399配合成为完整的llc方案。pfc运行由ncp1399经由vcc控制，pfc fb和 llc bo 的电阻分压是共享的，这共享也是可关断的。ncp1399ax采用”skip”引脚调整进入跳周期模式的负载状态，及侦察到fb电压低于vb_remote_off时进入关断模式；ncp1399bx则采用內部设定的“跳周期模式”阈值电平 （ic内部可编程），及运用独立的光耦制rem 引脚而进入关断模式。
图2. ncp1399典型应用原理图（上：a版本；下：b版本）
由于谐振电容集成初级电流（iprimary），所以vcs电压与初级电流成正比，而在关断期间，vcs电压有正或负斜率，再者，关断时的vcs电压几乎是线性地依赖于负载电流，而vcs关断电压曲线随vbulk变化，故可通过vcs与初级电流的关系以及vcs分压实现电流模式llc控制。具体控制算法为：1）通过vcs分压信号取得正谐振电容斜率；2）偏移加至vcs分压信号，以避免轻载时光耦饱和；3）根据fb引脚电压和vcs电压斜率（反映通过初级电流的线路和负载条件）通过系统自动调节mupper导通时间；4）然后同样的导通时间被复制用于mlower mosfet，确保完美对称的直流。
图3. 电流模式控制原理
ncp1399如何实现高能效及超低待机能耗
自动调节死区时间（deadtime， dt）
dt期的作用在于避免功率mosfet的交叉导通，从而防止过电流对系统的损毁。固定的dt期通常用于使能谐振转换器，但由于励磁电流随线性和负载条件变化，采用固定的dt期不能确保最佳的运行条件。ncp1399采用专有方式，当检测到零电压开关（zvs）转换，dv/dt传感器监测hb引脚斜率，并提供逻辑信号，从而根据谐振回路参数优化调节dt。
跳周期模式
由于初级端mosfet的zvs和次级端整流器的zcs（零电流开关），llc谐振转换器可在中度负载和满载时达到最高能效。但在轻载和空载条件下，如果采用普通的频率调制控制技术会产生不小的能耗。ncp1399采用专有的跳周期模式技术，尽可能地提升轻载能效并降低噪声。它基于fb引脚电压电平执行跳周期模式，跳周期比较器将fb引脚电压和预选值进行比较，当vfb降至低于预选跳周期水平，ic经由专用关断序列进入跳周期模式。在这种运行模式下，ic功耗降低，pfc段及使用pfc模式引脚的bo/pfc fb高压分压器可被禁用，由于ncp1399总是以特定的方式进入跳周期模式，这运行总是被mlower驱动脉冲以导通时间等于fmax的3/2时（或最后一个mupper脉冲的3/2）结束，因此谐振电容电压保持为vbulk*1/4 ，从而降低开关损耗。当fb引脚电压内部增加预选滞后，ic回到正常运行模式，mlower的第一个脉冲被延长，对自举（bootstrap）电容进行再充电，并激励谐振回路以准备zvs条件用于后续的mupper导通进程，接下来的mlower脉冲基于导通时间cmp信号而被延长。
图4. 进入跳周期模式及从跳周期模式回到正常模式
pfc导通/关断功能
pfc 导通/关断功能基于fb引脚电压监测来完成 。pfc预设的计时器（timer）用来克服瞬态期间的问题，三态输出控制pfc fb/llc brown-out （bo）分压器和pfc vcc。这pfc导通/关断功能在跳周期模式可降低轻载能耗。
ncp1399 专有的控制提供强固的保护
1. 专有启动序列
在谐振开关电源应用中可能会出现硬开关启动。ncp1399 使用特定启动方案，确保在
任何启动条件下的稳固的、无硬开关的启动。ncp1399使用软启动计数器和d/a转换器，实现数字非线性软启动序列。
2. 过载保护
过载保护通过fb引脚电压检测实现。导通时间比较器定义了比较值以控制导通时间。
当使用ncp1399发生次级短路时，fb引脚电压上升，当fb引脚电压达到最大值时，故障计时器/计数器启动，控制器禁用驱动脉冲并进入保护模式。
3. 内置可编程功能
ncp1399 内置许多可编程功能，包括：空载期钳位和故障选项、tsd阈值、使用可调
节的阈值选择remote和关断模式、vcc导通/关断阈值、cs偏置和斜率补偿增益、提供cs leb 、跳周期模式的内外阈值、故障计时器/计数器及其持续时间—包括自动恢复计时器、累积或非累积选择、otp/ovp 闩锁或自动恢复选择、bo 选择 （ibo， vbo， 跳周期期间功能）、最大导通时间故障检测 （导通时间和闩锁/自动恢复）、启动序列的第1个mupper和mlower脉冲宽度、软启动增量影响软启动持续时间、p on/off功能的激活和滞后以及计时器功能等，可在不同应用中根据具体情况将参数进行适当调整和优化，提供了设计灵活性并加快产品上市。
评估板能效测试
下图显示，当输入电压为110 v和230 v，输出电流在0-20 a范围内时，ncp1399的能效高达90%以上。
图5. 评估板能效测试图
结语
安森美半导体推出的llc ac-dc控制器ncp1399采用电流模式控制，突破电压模式控制的诸多限制，具有更瞬速的动态反应，提供更高的轻载及平均能效，并且无需辅助电源就能实现待机模式的超低待机能耗，从而降低成本，它采用可靠的开机启动模式，并集成过载保护、过流保护以避免硬开关，以及欠压检测、开路光耦检测、自动dt调节、过压保护和过温保护等一系列保护特性，保证系统可靠性。设计师还可利用ncp1399 内置的可编程功能，根据具体应用对参数进行调整和优化，为大屏电视、一体化电脑等大功率应用设计出高能效、超低待机能耗的电源系统。
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电流模式llc的优势
相同条件下，电流模式llc可提供比传统电压模式llc高得多的 fo，从这波特图可以看出。
图1. 波特图
因此，在动态负载响应方面，电流模式llc比电压模式llc提供更低压降、更低过冲（overshoot）和更快稳定响应；在线形纹波抑制方面，电流模式llc 控制抑制线性纹波比vco llc好5倍，其与vbulk有关的vout 纹波甚至可以忽 略不计；在线形瞬态方面，电流模式llc控制提供较 vco llc控制小10倍的过冲和小10倍的压降。
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图2. ncp1399典型应用原理图（上：a版本；下：b版本）
由于谐振电容集成初级电流（iprimary），所以vcs电压与初级电流成正比，而在关断期间，vcs电压有正或负斜率，再者，关断时的vcs电压几乎是线性地依赖于负载电流，而vcs关断电压曲线随vbulk变化，故可通过vcs与初级电流的关系以及vcs分压实现电流模式llc控制。具体控制算法为：1）通过vcs分压信号取得正谐振电容斜率；2）偏移加至vcs分压信号，以避免轻载时光耦饱和；3）根据fb引脚电压和vcs电压斜率（反映通过初级电流的线路和负载条件）通过系统自动调节mupper导通时间；4）然后同样的导通时间被复制用于mlower mosfet，确保完美对称的直流。
图3. 电流模式控制原理
ncp1399如何实现高能效及超低待机能耗
自动调节死区时间（deadtime， dt）
dt期的作用在于避免功率mosfet的交叉导通，从而防止过电流对系统的损毁。固定的dt期通常用于使能谐振转换器，但由于励磁电流随线性和负载条件变化，采用固定的dt期不能确保最佳的运行条件。ncp1399采用专有方式，当检测到零电压开关（zvs）转换，dv/dt传感器监测hb引脚斜率，并提供逻辑信号，从而根据谐振回路参数优化调节dt。
跳周期模式
由于初级端mosfet的zvs和次级端整流器的zcs（零电流开关），llc谐振转换器可在中度负载和满载时达到最高能效。但在轻载和空载条件下，如果采用普通的频率调制控制技术会产生不小的能耗。ncp1399采用专有的跳周期模式技术，尽可能地提升轻载能效并降低噪声。它基于fb引脚电压电平执行跳周期模式，跳周期比较器将fb引脚电压和预选值进行比较，当vfb降至低于预选跳周期水平，ic经由专用关断序列进入跳周期模式。在这种运行模式下，ic功耗降低，pfc段及使用pfc模式引脚的bo/pfc fb高压分压器可被禁用，由于ncp1399总是以特定的方式进入跳周期模式，这运行总是被mlower驱动脉冲以导通时间等于fmax的3/2时（或最后一个mupper脉冲的3/2）结束，因此谐振电容电压保持为vbulk*1/4 ，从而降低开关损耗。当fb引脚电压内部增加预选滞后，ic回到正常运行模式，mlower的第一个脉冲被延长，对自举（bootstrap）电容进行再充电，并激励谐振回路以准备zvs条件用于后续的mupper导通进程，接下来的mlower脉冲基于导通时间cmp信号而被延长。
图4. 进入跳周期模式及从跳周期模式回到正常模式
pfc导通/关断功能
pfc 导通/关断功能基于fb引脚电压监测来完成 。pfc预设的计时器（timer）用来克服瞬态期间的问题，三态输出控制pfc fb/llc brown-out （bo）分压器和pfc vcc。这pfc导通/关断功能在跳周期模式可降低轻载能耗。
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1. 专有启动序列
在谐振开关电源应用中可能会出现硬开关启动。ncp1399 使用特定启动方案，确保在
任何启动条件下的稳固的、无硬开关的启动。ncp1399使用软启动计数器和d/a转换器，实现数字非线性软启动序列。
2. 过载保护
过载保护通过fb引脚电压检测实现。导通时间比较器定义了比较值以控制导通时间。
当使用ncp1399发生次级短路时，fb引脚电压上升，当fb引脚电压达到最大值时，故障计时器/计数器启动，控制器禁用驱动脉冲并进入保护模式。
3. 内置可编程功能
ncp1399 内置许多可编程功能，包括：空载期钳位和故障选项、tsd阈值、使用可调
节的阈值选择remote和关断模式、vcc导通/关断阈值、cs偏置和斜率补偿增益、提供cs leb 、跳周期模式的内外阈值、故障计时器/计数器及其持续时间—包括自动恢复计时器、累积或非累积选择、otp/ovp 闩锁或自动恢复选择、bo 选择 （ibo， vbo， 跳周期期间功能）、最大导通时间故障检测 （导通时间和闩锁/自动恢复）、启动序列的第1个mupper和mlower脉冲宽度、软启动增量影响软启动持续时间、p on/off功能的激活和滞后以及计时器功能等，可在不同应用中根据具体情况将参数进行适当调整和优化，提供了设计灵活性并加快产品上市。
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