详细介绍谐振控制器
现代电子设备功能越来越多，设备功能的高功耗对环境的影响也越来越大。提高电源效率是降低功耗的方法之一。谐振拓扑具有较高效率，很多大功率消费电子产品和计算机都采用了这种电源拓扑，比如：液晶电视、等离子电视和笔记本电脑适配器。恩智浦专业谐振控制器可以帮助设计人员打造出高效的谐振电源，不仅在提高能效方面下功夫外，还特别重视电源解决方案的可靠性。本文介绍了恩智浦最新的谐振控制器产品：TEA1713和TEA1613。这两款器件采用了相同的新一代半桥谐振控制器。
2. 半桥LLC谐振转换器
2.1 半桥谐振转换器拓扑简介
图1：谐振拓扑
谐振转换器由直流高压电源（升压）供电，直流电源通常由前置PFC转换器部分产生。谐振回路（或LLC回路）由电容器Cr和带Lr（漏电感）和Lp（励磁电感）的变压器组成，由2个高压MOSFET器件驱动。半桥控制器(HBC)交替驱动两个MOSFET。电流大小由工作频率决定。二次侧高频交流电压通过整流和滤波获得直流输出电压(Vout)。
2.2 自适应死区时间控制
由于MOSFET器件能够实现软开关，也称为零电压开关(ZVS)，这就为谐振转换器实现高效工作提供了可能。如果两个MOSFET开关动作之间有足够长的死区时间，半桥电压（HB节点）可以完全上升或下降，MOSFET即能实现零电压开关。通过这种方式可以最大程度降低开关损耗。
在半桥斜坡（上升沿/下降沿）结束后，一次侧电流会流过MOSFET内较高阻抗的体二极管，直至MOSFET器件打开。因此，死区时间太长会造成导通损失。
半桥斜坡速度以及死区时间取决于频率、输出负载、输入和输出电压。采用固定死区时间的控制器，死区时间无论是内部固定还是外部可配置的，电源设计人员难于找到合适的值。
恩智浦新一代谐振控制器实现了真正的逐周期自适应死区时间控制。HBC控制器先进的电路可以侦测到半桥斜坡结束点，确保在最佳时机开通MOSFET，实现真正的无损切换。参见图2，最大程度减少体二极管导通时间的同时实现软开关。自适用死区时间功能简化了谐振电源设计，最大程度提高了电源效率。
图2：自适应死区时间
2.3 谐振转换器优化启动
2.3.1 软启动平衡
谐振转换器以高频启动，确保起始电流在安全范围内。随后开始扫频，频率逐步降低，直至达到正常工作频率。这一过程即为软启动。软启动扫描速度是折衷平衡的结果：
· 一方面，软启动应尽可能快，以便迅速达到设定的输出电压。在很多谐振电源设计中，控制器还通过缓冲电容器由谐振变压器供电。变压器输出电压的速度越快，所需缓冲电容充电量就越小，有利于降低缓冲电容规格。
· 另一方面，软启动频率扫描应尽可能慢，以避免过大的浪涌电流。浪涌电流幅度取决于输入电压、软启动扫频速度以及与负载相关的输出电压上升情况，因此在实际操作中很难预测。电源设计人员必须选择最慢的扫频速度，以适应最大负载时的最坏情况。
恩智浦谐振控制器TEA1713和TEA1613具有多重功能，可以在各种启动条件下实现快速、安全、可控启动。
2.3.2 双速软启动机制
对于扫频的前半部分，由于电流大小受频率影响不大，双速软启动机制的扫频速度要比正常扫频速度快4倍。前半部分快速描频可以缩短频率下降过程，减少启动时间。
当频率下降接近工作频率时，由于靠近谐振频率，电流对频率变化敏感度提高，电流增速也相应提高。减慢后半部分扫频速度可以控制电流和输出电压过冲。
2.3.3 感应交流电流实现过流调整
高的浪涌电流会对地产生干扰，或者需要增加功率MOSFET器件/整流二极管的额定电流值。通过过流调节(OCR)将电流限制在用户设定的安全范围，可以解决这一问题。
OCR可以检测出一次侧谐振电流，如果该电流超过用户设定的电流值，则增大频率。利用这一功能，电源设计人员可以根据典型应用条件选择快速软启动速度。对于特殊条件，比如满载启动，OCR通过减慢扫频速度可将电流限制在安全范围。
OCR通过双速软启动机制控制来频率，作为两种有效手段之一，通过这种方法更容易实现稳定的电流调节。图3给出了启动期间输出电压上升期OCR被激活示例。
图3：启动电流调节
第二种大幅提升OCR稳定性的方法是对一次交流瞬时电流值进行直接的逐周期检测。一般的OCR电路采用检测整流和滤器后产生的直流电压的方法，该直流电压代表了控制器的平均电流水平。但这种设计中的滤波器会产生第二个低频极点，因此很难建立稳定的OCR回路。而对瞬时电流进行直接的交流检测则无需使用整流器和滤波器，这样既节约了元器件成本，提高了OCR稳定性，又能增加精度，达到快速过流检测和响应的目的。
2.3.4 缩短高边第一个脉冲时间
启动时按正常开通时间打开高边MOSFET，第一个电流脉冲的幅度会很高，该峰值电流会造成干扰。TEA1713和TEA1613控制器把高边MOSFET的第一个导通时间缩短为只有正常导通时间的一半，因此原边电流初始幅度较低，可以快速达到稳定的工作状态(图4)。
a. 通常情况下第一次高边MOSFET导通时间。 b. 缩短高边导通时间后有限的峰值电流。
图4：缩短高边导通时间后的效果
3. 可靠性和安全性
提升开关式电源的可靠性与耐用性是减少返修和控制成本的关键因素。为此，恩智浦在TEA1613和TEA1713产品中增加了多重保护功能，为客户带来了真正完美的电源解决方案。
3.1容性模式保护
比较独特的保护功能是恩智浦正在申请专利的逐周期容性模式保护，它能够有效避免任何因容性模式对功率MOSFET可能造成的损害。有了它设计人员无须考虑与容性模式开关相关的MOSFET的反向恢复问题。因此，设计人员选用MOSFET器件时可以进行成本优化，不会影响整个电源系统的性能和可靠性。
谐振转换器通常工作在感性模式下，其开关频率高于谐振频率，利用功率MOSFET器件的零电压切换(ZVS)功能实现电源高效运行。对于输出短路电流、高脉动负载或市电降压等特殊情况，谐振回路的谐振频率短时间会高于工作频率，这将使得谐振回路变成容性阻抗。在容性模式中，MOSFET关闭后电流会持续流经体二极管，半桥节点(HB)不会出现电压变化。此时打开另一个MOSFET会非常危险，因为带体二极管的MOSFET反向恢复时产生的峰值电流可以瞬时烧毁器件。TEA1713和TEA1613对于危险的容性模式工作提供了三重动作保护。
TEA1713和TEA1613自适应死区时间控制是第一重保护，可以延迟另一个MOSFET器件打开时间，直到电流恢复正常极性。MOSFET会在半桥斜坡结束后打开，因此可以确保电流已恢复正确安全的极性。参见图5。该功能可以防止MOSFET在体二极管未恢复时危险的开关动作。
图5；容性开关保护
容性模式发生后，谐振电流返回正常极性需要半个谐振周期，斜坡发生在半桥节点上。为了实现相对较长的等待时间，振荡器速度减慢直到检测到半桥斜坡起点。这是第二重保护动作。
第三重保护动作是在容性模式工作期间提高振荡器频率。该动作可以使转换器返回安全的感性模式。
3.2 具有补偿升压电压的两级过流保护
为了防止（短时）在大功率下运行导致元器件过热或者变压器饱和，恩智浦产品采用了两级过流保护设计。
第一步：电流较低时，通过调节频率来限制电流。该过流调节(OCR)功能在启动期间同样可以限制电流。
第二步：如果电流增加太快，OCR无法调节，比如输出短路。此时可采取更为有力的保护措施——立即将开关频率提到最高。这一过程也称为过流保护(OCP)。
谐振转换器的输入电压(升压后)通常由PFC产生，非常稳定。不过，在启动期间、市电降压、或者没有有源PFC的系统中，升压后的电压会比较低。因此，对于相同输出功率的谐振转换器，
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