UCC25661x家族LLC控制器：高效電源設(shè)計的理想之選

在電源設(shè)計領(lǐng)域，LLC（串聯(lián)諧振）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其高效、高功率密度等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。而德州儀器（TI）推出的UCC25661x家族750kHz寬 (V{IN}/V{OUT}) 范圍LLC控制器，更是為電源設(shè)計帶來了全新的解決方案，尤其在輕載效率優(yōu)化方面表現(xiàn)出色。今天，我們就來深入探討一下這款控制器。

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一、產(chǎn)品特性亮點

1. 頻率范圍與控制技術(shù)

UCC25661x家族的滿載開關(guān)頻率范圍為50kHz至750kHz，能夠滿足不同功率應(yīng)用的需求。其采用的輸入功率比例控制（IPPC）方案，相比傳統(tǒng)的直接頻率控制和電荷控制方法，具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)電荷控制中輸入電流和開關(guān)頻率共同決定控制信號，而IPPC大大降低了控制信號對開關(guān)頻率的依賴性，使控制信號與輸入功率成正比，在寬輸入輸出電壓變化下，能保持一致的輕載突發(fā)模式和過載性能，同時保留了快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，并改善了線路瞬態(tài)性能。

2. 輕載管理優(yōu)化

該家族控制器在輕載管理方面表現(xiàn)卓越，可有效降低待機功耗并減少可聽噪聲。采用高頻和可聽頻率脈沖跳過、低頻突發(fā)模式（UCC256616除外）、集成PFC開/關(guān)（UCC256614）以及軟進軟出突發(fā)模式（UCC256610）等技術(shù)。例如，通過將突發(fā)包頻率保持在可聽范圍以上（> 25kHz）或極低的可聽區(qū)域（< 400Hz），在提高輕載效率的同時，最大程度減少了可聽噪聲。

3. 可靠的保護機制

具備多種保護功能，如50ns過流保護（OCP）、逐周期電流限制、過壓保護（OVP）、OVP鎖存（UCC256611和UCC256616）、內(nèi)部和外部OTP、輸入和VCCP欠壓鎖定（UVLO）等。其中，零電流開關(guān)（ZCS）避免方案可消除電容區(qū)域操作，防止MOSFET因體二極管反向恢復(fù)而損壞；自適應(yīng)軟啟動可減少浪涌電流，并消除啟動時的反向恢復(fù)。

4. 集成設(shè)計與性能優(yōu)勢

內(nèi)置諧振電容器電壓合成器，提高了信號可靠性和高頻啟動能力；集成柵極驅(qū)動，提供+0.6/-1.2A的驅(qū)動能力；集成高壓啟動功能（UCC25661x家族除UCC256613）；支持X電容放電（UCC256610、UCC256611和UCC256614）以及擴展增益范圍（UCC256611和UCC256614），這些集成設(shè)計不僅簡化了電路設(shè)計，還提高了系統(tǒng)的整體性能。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

UCC25661x家族適用于多種應(yīng)用場景，包括但不限于電視的開關(guān)電源（SMPS）、工業(yè)AC/DC適配器、電動工具、醫(yī)療電源、多功能打印機、企業(yè)和影院投影儀、PC電源、游戲機電源以及照明等領(lǐng)域。其寬輸入輸出電壓范圍和高效的輕載性能，使其成為這些應(yīng)用中電源設(shè)計的理想選擇。

三、詳細(xì)功能解析

1. 輸入功率比例控制（IPPC）

IPPC是UCC25661x家族的核心控制技術(shù)之一?？刂破魍ㄟ^外部由電容 (C{ISNS}) 和電阻 (R{ISNS}) 組成的微分器，測量ISNS引腳的諧振 tank電流。該引腳電壓在VCR合成器模塊中進行積分，形成內(nèi)部VCR信號VCRsynth。VCR合成器模塊根據(jù)BLK引腳電壓應(yīng)用前饋增益，并進行斜坡補償，生成補償后的內(nèi)部VCR信號。該信號與兩組閾值進行比較，以控制高端開關(guān)關(guān)斷（(V{TH})）和低端開關(guān)關(guān)斷（(V{TL})）。在軟啟動期間，(V{TH}) 和 (V_{TL}) 閾值根據(jù)內(nèi)部軟啟動斜坡生成，以最小化啟動期間諧振 tank的浪涌電流。

2. VCR合成器

VCR合成器是UCC25661x家族的另一重要特性。它將諧振 tank電流進行積分，形成諧振電容器電壓的內(nèi)部表示。通過內(nèi)部實現(xiàn)VCR合成器，控制器能夠支持高頻啟動，同時控制浪涌電流和進行前饋增益調(diào)整，并且減少了外部噪聲對ISNS引腳的影響，提高了控制器的魯棒性。VCR合成器的第一階段為可編程增益階段，用于實現(xiàn)輸入電壓前饋功能；第二階段為帶斜坡補償?shù)目删幊谭e分器，其積分時間常數(shù)可通過TSET引腳在啟動時進行外部配置。

3. 反饋鏈（控制輸入）

輸出電壓的控制由位于隔離屏障次級側(cè)的電壓調(diào)節(jié)器電路提供。需求信號通過光耦合器跨隔離屏障傳輸。在正常運行時，一個恒定電流源 (I{FB}) 連接到FB引腳，通過一個與PMOS串聯(lián)的電阻 (R{FB}) 連接。當(dāng) (IOPTO) 增加時，(RFBInternal) 減小，從而減小FBReplica，實現(xiàn)控制信號的反轉(zhuǎn)。為防止FB引腳電壓過低影響系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)，采用了FB引腳電壓鉗位電路，提高了系統(tǒng)從輕載到重載的瞬態(tài)性能。

4. 自適應(yīng)死區(qū)時間

UCC25661x家族采用高速、低延遲的壓擺率檢測模塊，優(yōu)化高端和低端脈沖之間的死區(qū)時間。該模塊能夠檢測高達(dá)200V/ns的壓擺率，防止直通和過多的體二極管導(dǎo)通。在突發(fā)模式、ZCS預(yù)防操作或壓擺率較慢的功率級中，諧振 tank電流極性信號（Ipolarity比較器輸出）可用于增強壓擺率檢測。通過利用LLC的自然對稱操作，壓擺率檢測模塊僅確定高端開關(guān)關(guān)斷和低端開關(guān)導(dǎo)通之間的死區(qū)時間，并將其應(yīng)用于低端MOSFET關(guān)斷和高端MOSFET導(dǎo)通之間的死區(qū)時間。

5. 輸入電壓傳感

通過BLK引腳進行輸入電壓傳感，可實現(xiàn)多種功能，包括輸入電壓的欠壓和過壓檢測、輸入前饋以及輸入電壓OVP?？刂破魈峁┛删幊痰那穳汉瓦^壓閾值，當(dāng)BLK引腳電壓低于 (V_{BLKStop}) 時，控制器進入欠壓狀態(tài)并停止開關(guān)；當(dāng)電壓高于欠壓恢復(fù)電壓時，立即開始軟啟動。此外，當(dāng)選擇AC欠壓選項時，BLK引腳可檢測HV引腳電壓，實現(xiàn)AC輸入過零檢測。

6. 諧振 tank電流傳感

ISNS引腳通過微分器傳感諧振 tank電流，除用作過流保護引腳外，還是控制功能的重要組成部分。它為積分器提供輸入，用于生成控制電壓，實現(xiàn)IPPC控制；還可進行逐周期過流保護、諧振電流極性檢測、ZCS預(yù)防和死區(qū)時間管理，以及避免啟動時的反向恢復(fù)。

四、保護功能確保系統(tǒng)安全

1. 零電流開關(guān)（ZCS）保護

ZCS保護對于LLC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，可避免進入電容區(qū)域操作。在電容區(qū)域，MOSFET可能因體二極管反向恢復(fù)而損壞，且增益與頻率關(guān)系會反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器失去對功率級的調(diào)節(jié)。UCC25661x家族的ZCS保護方案通過檢測ISNS信號，在接近感應(yīng)/電容邊界時提前終止柵極脈沖，確保MOSFET在電流反轉(zhuǎn)之前關(guān)斷，增加了功率級的可靠性，并通過控制開關(guān)時間，實現(xiàn)接近零電壓開關(guān)（ZVS），減少開關(guān)損耗。

2. 軟啟動期間的最小電流關(guān)斷

在啟動和前幾個開關(guān)周期內(nèi)，初級側(cè)MOSFET可能會經(jīng)歷體二極管反向恢復(fù)和硬開關(guān)。這是由于啟動時諧振電容器可能存在直流偏置電壓，導(dǎo)致諧振 tank電流不對稱。UCC25661x家族通過設(shè)置最小關(guān)斷電流閾值，并采用額外的邏輯來檢測諧振電流的正確下降沿，避免錯誤觸發(fā)。當(dāng)檢測到ZCS事件時，內(nèi)部軟啟動斜坡電壓會緩慢降低，迫使開關(guān)頻率增加，使轉(zhuǎn)換器退出電容區(qū)域。

3. 逐周期電流限制和短路保護

該家族控制器的OCP和逐周期電流限制功能對短路提供快速響應(yīng)（<50ns），有助于限制功率級的峰值應(yīng)力。當(dāng)ISNS電壓超過 (VISNS_OCP) 時，當(dāng)前的HO或LO柵極脈沖將被終止。如果在連續(xù)7個開關(guān)周期（nOCP）內(nèi)檢測到OCP，設(shè)備將進入故障狀態(tài)；在啟動期間，如果連續(xù)50個開關(guān)周期（nOCP_SS）檢測到OCP，設(shè)備同樣進入故障狀態(tài)。

4. 過載（OLP）保護

IPPC與前饋相結(jié)合，使輸出功率與內(nèi)部控制信號FBReplica之間建立了強相關(guān)性。當(dāng)FBReplica超過 (V{FBOLP}) 時，系統(tǒng)開始限制輸入功率，OLP計時器開始計數(shù)。如果FBReplica在 (T{OLP}) 時間內(nèi)持續(xù)高于 (V_{FBOLP}) ，則檢測到OLP故障，系統(tǒng)進入故障重啟序列。

5. VCC OVP保護

VCCP引腳的內(nèi)部電流限制鉗位可保護VCCP引腳，并在施加的電壓超過推薦的最大電壓時鉗位柵極驅(qū)動輸出電壓。當(dāng)通過 (VCC Shunt) 的電流超過 (IVCC _{Clamp }) 時，VCCP引腳電壓會進一步升高，超過VCC_OV，此時UCC25661x將進入故障狀態(tài)，并在1s的故障空閑時間后重試。

五、設(shè)備功能模式

1. 啟動模式

帶HV啟動

首次啟動時，插入AC電源后，若VCCP電壓低于 (VCC Short) ，VCCP引腳以 (I VCC_Charge_Low) 充電；若高于 (VCC Short) ，則以 (I VCC_ChargeHigh) 充電。當(dāng)VCCP電壓高于 (VCCUVLOr) 時，內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)V5P電壓，LL引腳和TSET引腳用于突發(fā)模式和內(nèi)部VCR合成器編程。若HV啟動選項啟用，TSET引腳輸出高電平，防止PFC在VCCP完全建立之前開啟。當(dāng)VCCP高于 (VCC StartSelf) 時，HV充電電流停止，LLC啟動過程開始。在正常運行中，若VCCP電壓低于 (VCC {StopSwitching }) ，設(shè)備將關(guān)閉并遵循正常重啟序列。

重啟時，檢測到故障后，UCC25661x家族關(guān)閉，在1s空閑時間后重試。若VCCP電壓低于 (VCC Short) ，以 (I VCC_Charge_Low) 充電；高于 (VCC Short) ，以 (I VCC_Charge_High) 充電；若高于 (VCC StartSelf) ，則跳過HV啟動的第一階段，V5P建立，LL引腳用于突發(fā)模式編程。

不帶HV啟動

當(dāng)HV啟動禁用時，PFC開/關(guān)信號也被禁用。啟動序列為：當(dāng)VCCP電壓高于 (VCCUVLOr) 時，V5P建立；LL引腳和TSET引腳用于突發(fā)模式和內(nèi)部VCR積分器編程；當(dāng)VCC低于 (VCCUVLOT) 時，V5P關(guān)閉，系統(tǒng)關(guān)閉。

2. 軟啟動斜坡

UCC25661x家族內(nèi)部生成軟啟動斜坡，固定最大軟啟動時間為25ms，可減少啟動時的浪涌電流，同時實現(xiàn)快速的輸出電壓上升。在啟動過渡到調(diào)節(jié)階段，新的軟啟動方案通過比較內(nèi)部軟啟動電壓（SSRamp）和FBReplica，選擇較低的值來控制功率級開關(guān)的關(guān)斷，避免過早終止軟啟動，實現(xiàn)軟啟動和閉環(huán)調(diào)節(jié)之間的平滑過渡。

3. 輕載管理

運行模式（突發(fā)模式）

UCC25661x家族的突發(fā)模式算法通過將突發(fā)包頻率保持在可聽范圍之外或極低的可聽區(qū)域，在提高輕載效率的同時，最大程度減少可聽噪聲。采用高頻（HF）脈沖跳過和低頻（LF）突發(fā)兩種模式。HF突發(fā)包包含固定數(shù)量的LO和HO脈沖，用于保持突發(fā)頻率高于可聽范圍；LF突發(fā)包含多個HF突發(fā)包和一個LF突發(fā)關(guān)斷期，通過計算HF突發(fā)包的數(shù)量，將LF突發(fā)頻率調(diào)節(jié)在200Hz至400Hz范圍內(nèi)。

模式轉(zhuǎn)換管理

用戶可通過LL引腳配置UCC25661x家族進入HF脈沖跳過和LF突發(fā)模式的功率水平。根據(jù)FBReplica電壓與HFBurstEntry和LFBurstEntry閾值的比較，控制器在正常開關(guān)、HF脈沖跳過和LF突發(fā)模式之間轉(zhuǎn)換。同時，在LF突發(fā)模式下，根據(jù)FBReplica電壓和預(yù)設(shè)閾值，控制LF突發(fā)段的啟動和終止。

突發(fā)模式閾值編程

通過外部連接在V5P和GNDP之間的電阻分壓器，連接到LL引腳進行突發(fā)模式閾值編程。根據(jù)測量的 (V LLB) 電壓和 (V LLA) 與 (V{LLB}) 之間的電壓差，可確定控制器進入HF突發(fā)和LF突發(fā)的FBReplica電壓。通過適當(dāng)編程（(V{L L A}-V_{L L B})），還可禁用突發(fā)模式，為系統(tǒng)設(shè)計提供了額外的靈活性。

TSET引腳在突發(fā)模式中的替代功能

在UCC256614中，TSET引腳可作為PFC開/關(guān)邏輯。在LF突發(fā)模式下，PFC開/關(guān)信號為高電平；控制器退出LF突發(fā)模式時，TSET引腳電壓為低電平，可用于關(guān)閉PFC或調(diào)整PFC控制器的突發(fā)模式閾值，實現(xiàn)低待機功耗模式。在UCC256610中，TSET引腳在啟動后作為輸入引腳。通過將TSET引腳拉低至GND，控制器可保持在低頻突發(fā)模式下運行，實現(xiàn)低可聽噪聲的待機模式。

軟開/關(guān)

啟用軟開/關(guān)功能時，LF包中的第一個和最后兩個HF包使用較低的開關(guān)閾值電壓，進一步減少可聽噪聲。

4. X電容放電

HV引腳用于AC存在檢測和X電容放電。每700ms，HV引腳零交叉檢測電路啟動，通過逐步增加測試電流，檢測HV引腳電壓是否低于9V閾值。若經(jīng)過多次測試仍未低于閾值，則啟用X電容放電電路360ms，實現(xiàn)X電容的安全放電。

六、應(yīng)用與實現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計

以UCC256611作為控制器的典型半橋LLC應(yīng)用為例，設(shè)計過程包括確定LLC功率級組件值、計算LLC增益范圍、選擇 (L{n}) 和 (Q{e}) 、確定等效負(fù)載電阻、計算諧振 tank組件參數(shù)、計算初級和次級側(cè)電流、設(shè)計變壓器、諧振電感、諧振電容、初級側(cè)MOSFET、整流二極管和輸出電容等。同時，還需考慮HV引腳串聯(lián)電阻、BLK引腳分壓器、ISNS引腳微分器、TSET引腳、OVP/OTP引腳和突發(fā)模式編程等方面的設(shè)計。

2. 電源供應(yīng)建議

在電源供應(yīng)方面，VCCP引腳電容器應(yīng)選擇電容值足夠高的電容，確保在LF突發(fā)操作期間支持VCCP不低于 (VCC {StopSwitching }) 水平，同時考慮陶瓷電容器的直流偏置電壓降額。引導(dǎo)電容器（(C{BOOT})）應(yīng)選擇低泄漏、低ESR的陶瓷電容器，根據(jù)系統(tǒng)的最大突發(fā)關(guān)斷時間和允許的電壓降，計算所需的電容值。V5P引腳應(yīng)連接一個0.1μF至4.7μF的去耦電容器。

3. 布局指南

在PCB布局方面，應(yīng)在VCCP引腳連接一個2.2μF的陶瓷電容器，并盡可能靠近VCCP引腳。必要時添加濾波電容器，以濾除偏置繞組波形上的高尖峰。建議將信號接地和電源接地單點連接，電源接地連接到LLC轉(zhuǎn)換器輸入大容量電容器的負(fù)極端子。將ISNS、BLK、LL、TSET和OVP/OTP引腳的濾波電容器盡可能靠近相應(yīng)引腳，保持FB走線短，并遠(yuǎn)離高dv/dt走線。使用薄膜電容器或C0G、NP0陶瓷電容器作為ISNS電容器，以減少失真。同時，要保證必要的高電壓間隙和爬電距離，若HV引腳需要2kV HBM ESD額定值，可在HV引腳與接地之間放置一個100pF的電容器。

七、總結(jié)

UCC25661x家族LLC控制器憑借其先進的控制技術(shù)、高效的輕載管理、可靠的保護功能和廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性，為電源設(shè)計工程師提供了一個強大而靈活的解決方案。無論是在設(shè)計電視、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療電源還是其他應(yīng)用的開關(guān)電源時，UCC25661x都能幫助工程師實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求，合理選擇器件參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計和PCB布局，以充分發(fā)揮UCC25661x家族控制器的優(yōu)勢。你在使用類似控制器進行電源設(shè)計時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。