引言

隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品進(jìn)入人們的生活，人類對(duì)電能的消耗也越來(lái)越大。世界銀行最新的報(bào)告顯示，全球人均電能消費(fèi)已經(jīng)從1,200千瓦時(shí)攀升到3,200千瓦時(shí)。而在這“巨額”消費(fèi)中，實(shí)際上有相當(dāng)一部分是被浪費(fèi)掉了——根據(jù)測(cè)算，家用電器的總能耗中有12%~18%是被待機(jī)功耗這個(gè)“黑洞”吞噬掉了，如果將電子設(shè)備待機(jī)時(shí)消耗的電能加在一起，相當(dāng)于50個(gè)大型電廠的年發(fā)電量。

為了有效控制待機(jī)功耗的增長(zhǎng)，各國(guó)都制訂了日益嚴(yán)苛的能耗標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)能源部DoE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：5W~49W的電器設(shè)備無(wú)負(fù)載時(shí)的待機(jī)功耗要低于0.1W，50W以上的設(shè)備的待機(jī)功耗要小于0.21W。歐盟能耗標(biāo)準(zhǔn)COC Tier 2對(duì)待機(jī)功耗的要求更為嚴(yán)格，它對(duì)于5W~49W和50W以上電器的待機(jī)功耗上限分別是0.075W和0.15W。這無(wú)疑給電子設(shè)計(jì)工程師的工作帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，應(yīng)用創(chuàng)新性的電源管理技術(shù)和產(chǎn)品，顯然是一條“捷徑”。Texas Instruments（TI）公司最新推出的LLC諧振控制器UCC256301，就是電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)AC/DC應(yīng)用時(shí)不可錯(cuò)過(guò)的一個(gè)新選擇。

低待機(jī)功耗 :超乎想象

UCC256301在穩(wěn)壓狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)小于40mW的待機(jī)功耗，在10%的負(fù)載下效率高達(dá)90%以上，可以幫助電子產(chǎn)品輕松滿足CoC Tier 2和DoE 6級(jí)所規(guī)定的能效標(biāo)準(zhǔn)。

之所以UCC256301在待機(jī)功耗上有如此出色的表現(xiàn)，主要是由于該器件基于一種全新的突發(fā)（Burst）工作模式。工作在這種模式下，如果變換器輸出的功率減小，控制環(huán)路的輸出就會(huì)降低，當(dāng)環(huán)路輸出低到系統(tǒng)設(shè)定的關(guān)斷閾值時(shí)，器件里面的MOS管就會(huì)徹底關(guān)斷，使得能量不會(huì)從輸入端流到輸出端，輸出電壓就會(huì)隨之下降。而當(dāng)輸出電壓下降之后，控制環(huán)路的輸出又開(kāi)始上升，當(dāng)環(huán)路的輸出值超過(guò)開(kāi)通閾值的時(shí)候，變換器重新開(kāi)始正常工作，輸出電壓隨之上升。由于開(kāi)通閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于關(guān)斷閾值，所以變換器在輕載時(shí)就會(huì)有很長(zhǎng)的一段時(shí)間處于不工作的狀態(tài)，不會(huì)有功率消耗，因此也就可以實(shí)現(xiàn)更低的待機(jī)功耗。

圖1，UCC256301產(chǎn)品及電路圖

這一工作原理看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上其中包含著一項(xiàng)TI獨(dú)有的專利控制算法——混合滯回控制技術(shù)（HHC）。傳統(tǒng)的LLC控制器采用的是直接頻率控制（DFC），這種調(diào)制方式在輸出功率較小時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加到非常高，這樣一來(lái)與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗、變壓器磁極損耗以及驅(qū)動(dòng)損耗，都會(huì)大幅度地增加，很難確保在輕負(fù)載時(shí)獲得高效率和低功耗。而HHC恰恰是顛覆了以往傳統(tǒng)的控制技術(shù)，讓“不可能”的事成為現(xiàn)實(shí)。本文就帶大家見(jiàn)識(shí)一下TI的這一“獨(dú)門(mén)秘笈”。

關(guān)鍵的瞬態(tài)響應(yīng)

在深入了解HHC技術(shù)之前，我們先來(lái)關(guān)注一個(gè)電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要指標(biāo)——瞬態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)描述的是當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)載電流發(fā)生突發(fā)變化時(shí)電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性，也就是轉(zhuǎn)化器對(duì)瞬態(tài)負(fù)載變化的快速反應(yīng)能力。

圖2展示了一個(gè)典型的電源轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程?？梢钥吹?，當(dāng)負(fù)載電流突然增加時(shí)，由于轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路無(wú)法對(duì)負(fù)載的變化做出及時(shí)響應(yīng)，所以輸出電壓會(huì)有一個(gè)明顯的下跌，這是由于輸出電容要對(duì)負(fù)載進(jìn)行額外的充電。之后，控制環(huán)路開(kāi)始做出反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)間（settling time）后將輸出電壓重新穩(wěn)定到設(shè)置點(diǎn)。同樣的，在負(fù)載電流突然下降時(shí)，由于控制環(huán)路響應(yīng)的滯后，會(huì)讓輸出電容累積更多的電量，造成一段時(shí)間內(nèi)輸出電壓的顯著上拉。因此可以看到，瞬態(tài)響應(yīng)不佳，會(huì)讓輸出電壓產(chǎn)生一個(gè)電壓偏差（voltage deviation），而且重新穩(wěn)壓也需要一個(gè)過(guò)程，在某些情況下這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的失控甚至關(guān)機(jī)，這顯然是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大忌。

圖2，電源轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應(yīng)示意圖

由此我們也可以看出，瞬態(tài)響應(yīng)特性的優(yōu)劣與電源轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路響應(yīng)特性直接相關(guān)?？刂骗h(huán)路帶寬越大，響應(yīng)時(shí)間越短，能夠讓轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載的突發(fā)狀況作出更快的反應(yīng)。同時(shí)，控制環(huán)路的相位裕度（phase margin）會(huì)直接影響到穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短，相位裕度不足會(huì)導(dǎo)致欠阻尼響應(yīng)，在輸出電壓上產(chǎn)生振鈴，所以通常情況下，推薦的控制環(huán)路相位裕度不能小于45°。此外，為了減小電壓偏差，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還會(huì)考慮采用大容值的輸出電容，當(dāng)然這也意味著更大的系統(tǒng)體積和更高的物料成本。

傳統(tǒng)的環(huán)路控制方法是直接頻率控制（DFC），它的控制策略是由補(bǔ)償模塊反饋產(chǎn)生一個(gè)門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)合適的頻率，通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的調(diào)整去調(diào)節(jié)頻率調(diào)制模塊的增益，進(jìn)而獲得所需的輸出電壓。這種方法歷史悠久，但是由于它的補(bǔ)償設(shè)計(jì)十分困難，通常需要有復(fù)雜的計(jì)算模型和反復(fù)迭代實(shí)驗(yàn)才能獲得滿意的效果。這對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是很大的挑戰(zhàn)。因此，找到一種既簡(jiǎn)單又高效的環(huán)路控制方法就成了電源管理技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。

圖3，傳統(tǒng)的DFC直接頻率控制電路

創(chuàng)新的混合滯回控制技術(shù)

為此，混合滯回控制技術(shù)（HHC）應(yīng)運(yùn)而生，這是一種結(jié)合了頻率控制和充電控制的獨(dú)特方案。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用HHC技術(shù)的UCC256301瞬態(tài)響應(yīng)速度提升了10倍。

HHC技術(shù)的工作原理見(jiàn)圖4。共振電容電壓V_CR從C1和C2組成的電容分壓器中采樣。V_CR與兩個(gè)由門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的電流源相連。當(dāng)V_CR節(jié)點(diǎn)上輸入或輸出電流時(shí)，一個(gè)三角形的補(bǔ)償斜波疊加在這個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓上。

圖4，HHC方案系統(tǒng)框圖

我們將V_CR節(jié)點(diǎn)上正常模式下的電壓定義為V_CM，將控制環(huán)路補(bǔ)償輸出的補(bǔ)償電壓定義為V_COMP，由這兩個(gè)值確定兩個(gè)開(kāi)關(guān)邏輯閾值：V_THH和V_THL，它們的計(jì)算公式如下：

V_CR節(jié)點(diǎn)上電壓會(huì)與上述兩個(gè)邏輯閾值做比較，當(dāng)V_CR電壓高于V_THH時(shí)，高邊的開(kāi)關(guān)關(guān)閉，當(dāng)V_CR電壓低于V_THL時(shí)，低側(cè)的開(kāi)關(guān)關(guān)閉。HO和LO開(kāi)關(guān)觸發(fā)邊沿就是由這個(gè)自適應(yīng)電路來(lái)控制。

圖5，HHC的控制策略

與傳統(tǒng)的DFC方法相比，HHC的控制策略使用環(huán)路輸出的控制量直接來(lái)控制變換器的輸入功率，將由控制信號(hào)到輸出電壓的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化成一階系統(tǒng)，這讓補(bǔ)償設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，同時(shí)讓帶寬大幅度提升。此外，控制效果直接與諧振回路輸入電流相關(guān)，它具有固有的內(nèi)在前饋，可以獲得更出色的輸入線瞬態(tài)響應(yīng)。

新技術(shù)帶來(lái)的改變

測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了HHC環(huán)路控制方案的“功力”。采用傳統(tǒng)DFC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)換器，帶寬為1.75kHz，具有60°的相位裕度。從圖6a中可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)換器相位裕度較好時(shí)，帶寬卻表現(xiàn)不佳。而采用HHC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)化器，則可實(shí)現(xiàn)高達(dá)6kHz的帶寬，相位裕度也達(dá)到了50°，能夠滿足快速瞬態(tài)響應(yīng)的需要（見(jiàn)圖6b）。

圖6，采用DFC和HHC方法的轉(zhuǎn)換器帶寬和相位裕度比較

從瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)際效果來(lái)看，圖7a中顯示采用DFC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸出電流突然增加時(shí)，輸出電壓出現(xiàn)了一個(gè)明顯的下降，輸出電壓最大偏差超過(guò)了20%，而且需要2ms才能重新恢復(fù)到穩(wěn)壓狀態(tài)。與之相對(duì)照，圖7b中采用HHC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)化器的瞬態(tài)響應(yīng)能力顯著提升，當(dāng)負(fù)載發(fā)生從零到滿載的瞬態(tài)突變，最大的輸出電壓偏差僅為1.25%，穩(wěn)定時(shí)間也只需要200μs。

圖7，采用DFC和HHC方法的轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應(yīng)性能比較

HHC技術(shù)為L(zhǎng)LC轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的另外一個(gè)優(yōu)化就是，不再需要大容值的輸出電容，所以與DFC相比在最終電源系統(tǒng)外形尺寸和BOM優(yōu)化上也能夠更勝一籌。

更低待機(jī)功耗，從UCC256301開(kāi)始

綜上所述，正是由于采用了創(chuàng)新的HHC環(huán)路控制技術(shù)，TI最新推出的LLC控制器UCC256301實(shí)現(xiàn)了更為出眾的瞬態(tài)響應(yīng)特性，有了這樣的瞬態(tài)響應(yīng)能力UCC256301得以在深度突發(fā)模式下工作，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)電源系統(tǒng)的待機(jī)功耗，讓開(kāi)發(fā)者能夠輕松應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)苛的AC/DC應(yīng)用能效標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。這就是UCC256301“更省電”的秘訣所在。

因此UCC256301可以廣泛適用于包括數(shù)字電視、游戲適配器、臺(tái)式電腦和筆記本電腦適配器，以及電動(dòng)工具電池充電器在內(nèi)的產(chǎn)品領(lǐng)域。實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師還可將UCC256301與TI功率因數(shù)校正(PFC)控制器和同步整流(SR)控制器配對(duì)使用，以提高系統(tǒng)效率。我們可以來(lái)看看以下幾個(gè)參考設(shè)計(jì)實(shí)例。

圖8所示的參考設(shè)計(jì)是一個(gè)24V直流輸出、額定功率480W、峰值功率720W的AC/DC工業(yè)電源參考設(shè)計(jì)，可在85~265 VAC寬電壓輸入范圍內(nèi)提供電能轉(zhuǎn)換傳輸。該設(shè)計(jì)包括一個(gè)前端的PFC電路和一個(gè)高可靠的LLC級(jí)——LLC控制器采用的就是UCC256301——在寬負(fù)載范圍內(nèi)的效率能夠達(dá)到93.5%以上，加之LLC控制器具備內(nèi)置保護(hù)功能，使設(shè)計(jì)更加可靠，可在沒(méi)有任何強(qiáng)制冷卻機(jī)制的條件下工作。（點(diǎn)擊獲取本參考設(shè)計(jì)詳細(xì)資料）

圖8，24V直流輸出、額定功率480W的AC/DC工業(yè)電源參考設(shè)計(jì)

圖9所示是一個(gè)具有出色效率和瞬態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)的AC/DC轉(zhuǎn)化器參考設(shè)計(jì)，在單層PCB上可支持85~265 VAC寬輸入范圍，以及12V/5V/3.3V的多DC電壓輸出，最高功率可達(dá)450W，適用于游戲機(jī)、臺(tái)式機(jī)或其它AC/DC PSU。  該設(shè)計(jì)的核心器件包括前端PFC級(jí)的控制器UCC28180、LLC級(jí)控制器UCC256301、同步整流控制器UCC24612，以及低導(dǎo)通電阻MOSFET，效率達(dá)到93%，能效表現(xiàn)達(dá)到了80Plus鉑金級(jí)的水平。（點(diǎn)擊了解本參考設(shè)計(jì)詳細(xì)資料）

圖9，效率93%、最高功率450W的AC/DC電源參考設(shè)計(jì)

除了上述的參考設(shè)計(jì)，為了能夠讓開(kāi)發(fā)者能夠盡快應(yīng)用UCC256301開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，TI還提供了一系列設(shè)計(jì)資源支持，如：UCC256301的評(píng)估板模塊、在線設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)應(yīng)用指南，以及電源管理在線論壇等。

總之，UCC256301 LLC控制器是一顆直戳AC/DC電源設(shè)計(jì)“痛點(diǎn)”的產(chǎn)品，其低至40mW的優(yōu)異待機(jī)功耗表現(xiàn)、比傳統(tǒng)控制方式快10倍的瞬態(tài)響應(yīng)速度、更大的BOM和系統(tǒng)體積優(yōu)化的空間、高集成度和高可靠性的功能配置、完整的設(shè)計(jì)資源支持，讓人忍不住想盡快上手一試。想必它也不會(huì)讓你失望，令你未來(lái)的電源設(shè)計(jì)如虎添翼。

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