【導讀】在追求高轉換效率的電源轉換器應用中，采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉換器（resonant power converter）電路架構因其優異的效率表現，在近年來變得相當流行。為了進一步增進 LLC 電源轉換器在重載時的工作效率，設計實例中也紛紛采用了同步整流（synchronous rectification, SR）來減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外，針對輕載效率的增進，有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變（pulse frequency modulation, PFM），許多專用控制器也提供了輕載控制模式 （Light-load mode） 來減少切換損失。
在追求高轉換效率的電源轉換器應用中，采用 LLC 諧振的 LLC 諧振電源轉換器（resonant power converter）電路架構因其優異的效率表現，在近年來變得相當流行。為了進一步增進 LLC 電源轉換器在重載時的工作效率，設計實例中也紛紛采用了同步整流（synchronous rectification, SR）來減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外，針對輕載效率的增進，有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變（pulse frequency modulation, PFM），許多專用控制器也提供了輕載控制模式 （Light-load mode） 來減少切換損失。
LLC同步整流應用電路及工作原理
NCP4318 是適用于 LLC 架構的同步整流控制器，其應用電路如圖 1所示，而其工作原理則概述如圖 2。NCP4318透過 VD 與 VS 腳位來檢測 SR 功率開關之汲極（drain, D）與源極（source, S）之間的電位差（VDS），以此決定其 VG 腳位的驅動信號狀態。驅動信號的觸發分為 DLY_EN 旗標為 LOW 或 HIGH 兩種狀況。一般情況下，當 VD 與 VS 腳位之間的電位差低于 VTH-ON 準位時，立即將VG輸出為 HIGH。但當 DLY_EN 旗標為 HIGH 時， VD 與 VS 腳位的電位差低于 VTH-ON 準位要維持一段 tON-DLY2 的延遲時間，VG 才會輸出為 HIGH。在 VG 輸出為 HIGH 時，透過偵測 VD 與 VS 電位差高于 VTH-OFF 準位，NCP4318 會將 VG 信號關斷。此 VTH-OFF 在 NCP4318 的設計中是一個變動的值。藉由調整 VTH-OFF，NCP4318 可以確保從 VG 關斷到 VD 電壓上升達 VTH-HGH 的時間差，亦即死區時間（dead time），在不同負載的狀況下都保持不變。
圖 1 NCP4318基本應用電路圖
圖 2 NCP4318基本動作原理
輕載控制模式
許多廠家推出的 LLC 控制專用 IC 都提供了輕載控制模式。雖然其觸發條件和操作細節各有差異，但共通的原理是將一次側的閘極信號控制為一個經過設計的封包（packet、pattern、package），再調整封包之間的距離，以實現功率的調變。這些封包通常具有較短的開頭閘極脈沖（gate pulse），用來將LLC的諧振腔（resonant tank）儲能狀態操作到能夠傳送能量的狀態，然后再使用后續的閘極脈沖將能量傳遞到二次側。以 onsemi 的 NCP13992 系列為例，如圖 3所示，一次側的閘極信號按照 Q2→Q1→Q2 的順序排列，而封包之間有一段所有閘極信號皆為低準位的休止（dormant）時間。藉由輕載控制模式，LLC電路可以避免在輕載時被操作在較高的切換頻率（switching frequency），從而降低切換損失（switching loss）。
圖 3 NCP13992/NCP13994的輕載操作模式
兼容性挑戰
當一次側操作為輕載操作模式，二次側的電流波形會與通常的脈沖頻率調變相當不同。首先，由于一次側的導通時間會有長短變化，因此二次側的電流導通時間也會有所變動。此外，并不是每一個一次側的閘極脈沖都會在二次側產生導通電流。實際上，視乎不同輕載操作模式的封包設計，二次側的電流導通樣態也會有所不同。有些一次側閘極脈沖并不會讓二次側呈現出導通電流，而有些則只會導通部分時間。甚至在休止時間內，共振腔剩余的電流導通一次側功率開關本體二極管（body diode）時，二次側有時也會有短暫的電流導通。
當二次側導通電流時，首先會讓 SR 功率開關的本體二極管導通。此時，SR 控制器會偵測到 VD 與 VS 電位差的低準位，進而送出 VG 脈沖。然而，在輕載操作模式中，二次側的電流會忽大忽小、忽長忽短、忽有忽無，這對 SR 控制器來說帶來更多挑戰。
參數調整策略
幸好，NCP4318 具有可調整的參數，可以透過調整其允許調整的部分參數來增進其與輕載操作模式的兼容性。以下列出較相關的參數及描述其分別的調整方向：
一、縮短 tON-DLY2
NCP4318 的 tON-DLY2 設計，究其原由，是為了操作于低于諧振頻率模式（below resonance）的 LLC 電源轉換器，在輕載時的二次側電流導通特性所設計的機制。只要在觸發到 NCP4318 的負電流偵測（SRCINV），或是脈沖跳頻模式（skip mode）時，一次側無脈沖的時間達足夠長度（tGRN2-ENT），DLY_EN 旗標即會轉態為 HIGH。而負電流偵測在各種輕載的瞬時過程中都很容易觸發。例如，重載跳到輕載，或是在輕載時的脈沖跳頻模式的進出過程，都很容易在二次側電流縮小并縮短其導通時間的切換周期里，觸發到負電流偵測。因此，在輕載狀況下，NCP4318 的 DLY_EN 旗標通常為 HIGH。
圖 4 低于諧振頻率模式的輕載二次側電流典型特性
對于具有輕載操作模式的控制器，設計上通常會讓應該導通電流的閘極脈沖都能導通相當的電流，而每個脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長，而是更近于高于諧振頻率模式（above resonance）的波形。因此，如圖 4那樣需要相當長度 tON-DLY2 的狀況通常并不常見于輕載操作模式。基于增進 SR 功率開關的利用率的考慮，建議將 tON-DLY2 參數設定得較短。NCP4318 的 tON-DLY2 最短可以設定到240 ns。
二、縮小 KTON1/2、tINV
由于在切換的過程容易伴隨如圖 5所示的噪聲，這些噪聲可能會使 VDS 高過 VTH-OFF。因此，NCP4318 設計了最短導通時間（tON-MIN）來防止 VG 脈沖被過早地關斷。NCP4318 的最短導通時間設計為基于前一個切換周期所測得的同步整流導通時間（SRCOND[n-1]）的一個固定比例。這個比例取決于 DLY_EN 旗目標狀態，可以是 KTON1 或 KTON2 ，如圖 2所示。在最短導通時間內，VTH-OFF 會被無效化，但 VG 仍然可以透過保護機制（例如SRCINV）來關斷。然而，透過保護機制關斷 VG，總是需要多滿足一段延遲時間（delay time），這會使關斷時間稍晚一些。SRCINV 的延遲時間為tINV。如果 SR 閘極信號因為其開關導通的電流由正轉負而需要被關斷，多等一段時間，也就讓負電流多累積一點時間，將在關斷時造成同步整流功率開關上較大電壓應力。
因為輕載操作模式的電流導通時間會忽長忽短，為了避免其中由長變短時，短的導通時間落入 tON-MIN 之內，您可以將 NCP4318 的 KTON1 和 KTON2 設定得短一點。NCP4318 所提供的最短參數設定為 KTON1=34%、KTON2=17%。
另外，如果一次側的短脈寬可調整，也建議將它調整得比 KTON2 還長一些。如果一次側的短脈寬無法稍微拉長，難免還是會需要透過 SRCINV 來關斷 VG 的狀況。因此，您可以將 SRCINV 的延遲時間設定得短一點。但是，要注意不要短得讓如圖 5的噪聲觸發了 SRCINV。NCP4318 的 tINV 可設定范圍為170 ~ 620 ns。
圖 5 VG導通時的VDS噪聲
三、縮短 tOFF-MIN
通常在一個閘極脈沖剛關斷的時候，為了防止受到噪聲影響而誤觸了導通的動作，我們會在關斷之后加上一段最短關斷時間（tOFF-MIN），以確保閘極信號的關斷狀態至少維持這么一段時間。在圖 3中提到，輕載操作模式通常是在封包之間插入休止時間來調整能量傳遞。封包里的第一個脈沖和最后一個脈沖通常都落在同一個閘極信號上，例如圖 3的例子是在 Q2。連續兩個 Q2 脈沖，如果休止時間比較短，同一個 SR 功率開關可能需要在關斷不久后又立即開通。因此，您可以把 NCP4318 的 tOFF-MIN 設定為較短的選項。例如，低頻版本（NCP4318xLx）的 tOFF-MIN 參數為 2 μs，您可以另外選擇 700 ns；而高頻版本（NCP4318xHx）的 tOFF-MIN 參數為 1 μs，您可以另外選為 500 ns。
圖 6 tOFF-MIN使VG無法實時開通
綜上所述，搭配輕載操作模式，建議的 NCP4318 參數挑選為短 tON-DLY2、小 KTON、短 tINV 和短 tOFF-MIN。在本文撰寫時，尚無單一版本的 NCP4318 將以上所提到的所有參數調整到極致。根據本文撰寫時 NCP4318 的規格手冊，目前所有版本的 tON-DLY2 都是最短的設定。具有較小的 KTON 的版本有 NCP4318ALGP。至于 tINV，最短設定的版本包括有 NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而 tOFF-MIN 設定為較短值的版本則包括 NCP4318ALS。
NCP4318的參數調整方式是封裝后程控（in-package programming）。目前的產品方針是將每一種不同設定做成個別可定購零件編號（orderable part number, OPN）。如果您有客制參數設定的需求，可以與當地的 onsemi 業務代表或產品代理商聯系。
表 1 NCP4318在本文寫作當下的可定購版本列表
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