引言

隨著越來越多的電子產(chǎn)品進入人們的生活，人類對電能的消耗也越來越大。世界銀行最新的報告顯示，全球人均電能消費已經(jīng)從1,200千瓦時攀升到3,200千瓦時。而在這“巨額”消費中，實際上有相當一部分是被浪費掉了——根據(jù)測算，家用電器的總能耗中有12%~18%是被待機功耗這個“黑洞”吞噬掉了，如果將電子設(shè)備待機時消耗的電能加在一起，相當于50個大型電廠的年發(fā)電量。

為了有效控制待機功耗的增長，各國都制訂了日益嚴苛的能耗標準。如美國能源部DoE標準規(guī)定：5W~49W的電器設(shè)備無負載時的待機功耗要低于0.1W，50W以上的設(shè)備的待機功耗要小于0.21W。歐盟能耗標準COC Tier 2對待機功耗的要求更為嚴格，它對于5W~49W和50W以上電器的待機功耗上限分別是0.075W和0.15W。這無疑給電子設(shè)計工程師的工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。

為了應對這一挑戰(zhàn)，應用創(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，就是電子工程師們在設(shè)計AC/DC應用時不可錯過的一個新選擇。

低待機功耗 :超乎想象

UCC256301在穩(wěn)壓狀態(tài)下可以實現(xiàn)小于40mW的待機功耗，在10%的負載下效率高達90%以上，可以幫助電子產(chǎn)品輕松滿足CoC Tier 2和DoE 6級所規(guī)定的能效標準。

之所以UCC256301在待機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)路的輸出就會降低，當環(huán)路輸出低到系統(tǒng)設(shè)定的關(guān)斷閾值時，器件里面的MOS管就會徹底關(guān)斷，使得能量不會從輸入端流到輸出端，輸出電壓就會隨之下降。而當輸出電壓下降之后，控制環(huán)路的輸出又開始上升，當環(huán)路的輸出值超過開通閾值的時候，變換器重新開始正常工作，輸出電壓隨之上升。由于開通閾值遠遠高于關(guān)斷閾值，所以變換器在輕載時就會有很長的一段時間處于不工作的狀態(tài)，不會有功率消耗，因此也就可以實現(xiàn)更低的待機功耗。

圖1，UCC256301產(chǎn)品及電路圖

這一工作原理看似簡單，實際上其中包含著一項TI獨有的專利控制算法——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，開關(guān)頻率會增加到非常高，這樣一來與開關(guān)頻率相關(guān)的開關(guān)損耗、變壓器磁極損耗以及驅(qū)動損耗，都會大幅度地增加，很難確保在輕負載時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。本文就帶大家見識一下TI的這一“獨門秘笈”。

關(guān)鍵的瞬態(tài)響應

在深入了解HHC技術(shù)之前，我們先來關(guān)注一個電源轉(zhuǎn)換過程中的重要指標——瞬態(tài)響應。瞬態(tài)響應描述的是當轉(zhuǎn)換器輸出負載電流發(fā)生突發(fā)變化時電源系統(tǒng)的響應特性，也就是轉(zhuǎn)化器對瞬態(tài)負載變化的快速反應能力。

圖2展示了一個典型的電源轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應過程?？梢钥吹剑斬撦d電流突然增加時，由于轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路無法對負載的變化做出及時響應，所以輸出電壓會有一個明顯的下跌，這是由于輸出電容要對負載進行額外的充電。之后，控制環(huán)路開始做出反應，經(jīng)過一段穩(wěn)定時間（settling time）后將輸出電壓重新穩(wěn)定到設(shè)置點。同樣的，在負載電流突然下降時，由于控制環(huán)路響應的滯后，會讓輸出電容累積更多的電量，造成一段時間內(nèi)輸出電壓的顯著上拉。因此可以看到，瞬態(tài)響應不佳，會讓輸出電壓產(chǎn)生一個電壓偏差（voltage deviation），而且重新穩(wěn)壓也需要一個過程，在某些情況下這會導致設(shè)備的失控甚至關(guān)機，這顯然是電源系統(tǒng)設(shè)計的大忌。

圖2，電源轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應示意圖

由此我們也可以看出，瞬態(tài)響應特性的優(yōu)劣與電源轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路響應特性直接相關(guān)?？刂骗h(huán)路帶寬越大，響應時間越短，能夠讓轉(zhuǎn)換器對負載的突發(fā)狀況作出更快的反應。同時，控制環(huán)路的相位裕度（phase margin）會直接影響到穩(wěn)定時間的長短，相位裕度不足會導致欠阻尼響應，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)計時還會考慮采用大容值的輸出電容，當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償模塊反饋產(chǎn)生一個門驅(qū)動信號合適的頻率，通過開關(guān)頻率的調(diào)整去調(diào)節(jié)頻率調(diào)制模塊的增益，進而獲得所需的輸出電壓。這種方法歷史悠久，但是由于它的補償設(shè)計十分困難，通常需要有復雜的計算模型和反復迭代實驗才能獲得滿意的效果。這對工程師來說是很大的挑戰(zhàn)。因此，找到一種既簡單又高效的環(huán)路控制方法就成了電源管理技術(shù)創(chuàng)新的焦點。

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）應運而生，這是一種結(jié)合了頻率控制和充電控制的獨特方案。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，采用HHC技術(shù)的UCC256301瞬態(tài)響應速度提升了10倍。

HHC技術(shù)的工作原理見圖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與兩個由門驅(qū)動信號控制的電流源相連。當V_CR節(jié)點上輸入或輸出電流時，一個三角形的補償斜波疊加在這個節(jié)點電壓上。

圖4，HHC方案系統(tǒng)框圖

我們將V_CR節(jié)點上正常模式下的電壓定義為V_CM，將控制環(huán)路補償輸出的補償電壓定義為V_COMP，由這兩個值確定兩個開關(guān)邏輯閾值：V_THH和V_THL，它們的計算公式如下：

V_CR節(jié)點上電壓會與上述兩個邏輯閾值做比較，當V_CR電壓高于V_THH時，高邊的開關(guān)關(guān)閉，當V_CR電壓低于V_THL時，低側(cè)的開關(guān)關(guān)閉。HO和LO開關(guān)觸發(fā)邊沿就是由這個自適應電路來控制。

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控制變換器的輸入功率，將由控制信號到輸出電壓的傳遞函數(shù)簡化成一階系統(tǒng)，這讓補償設(shè)計變得非常簡單，同時讓帶寬大幅度提升。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。

新技術(shù)帶來的改變

測試結(jié)果驗證了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，當轉(zhuǎn)換器相位裕度較好時，帶寬卻表現(xiàn)不佳。而采用HHC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)化器，則可實現(xiàn)高達6kHz的帶寬，相位裕度也達到了50°，能夠滿足快速瞬態(tài)響應的需要（見圖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)響應的實際效果來看，圖7a中顯示采用DFC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)換器，當輸出電流突然增加時，輸出電壓出現(xiàn)了一個明顯的下降，輸出電壓最大偏差超過了20%，而且需要2ms才能重新恢復到穩(wěn)壓狀態(tài)。與之相對照，圖7b中采用HHC技術(shù)的LLC轉(zhuǎn)化器的瞬態(tài)響應能力顯著提升，當負載發(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)響應性能比較

HHC技術(shù)為LLC轉(zhuǎn)換器帶來的另外一個優(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。

更低待機功耗，從UCC256301開始

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實現(xiàn)了更為出眾的瞬態(tài)響應特性，有了這樣的瞬態(tài)響應能力UCC256301得以在深度突發(fā)模式下工作，進而優(yōu)化整個電源系統(tǒng)的待機功耗，讓開發(fā)者能夠輕松應對日益嚴苛的AC/DC應用能效標準的挑戰(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、臺式電腦和筆記本電腦適配器，以及電動工具電池充電器在內(nèi)的產(chǎn)品領(lǐng)域。實際設(shè)計中，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)控制器配對使用，以提高系統(tǒng)效率。我們可以來看看以下幾個參考設(shè)計實例。

圖8所示的參考設(shè)計是一個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，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)計包括一個前端的PFC電路和一個高可靠的LLC級——LLC控制器采用的就是UCC256301——在寬負載范圍內(nèi)的效率能夠達到93.5%以上，加之LLC控制器具備內(nèi)置保護功能，使設(shè)計更加可靠，可在沒有任何強制冷卻機制的條件下工作。（點擊獲取本參考設(shè)計詳細資料）

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

圖9所示是一個具有出色效率和瞬態(tài)響應表現(xiàn)的AC/DC轉(zhuǎn)化器參考設(shè)計，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450W，適用于游戲機、臺式機或其它AC/DC PSU。  該設(shè)計的核心器件包括前端PFC級的控制器UCC28180、LLC級控制器UCC256301、同步整流控制器UCC24612，以及低導通電阻MOSFET，效率達到93%，能效表現(xiàn)達到了80Plus鉑金級的水平。（點擊了解本參考設(shè)計詳細資料）

圖9，效率93%、最高功率450W的AC/DC電源參考設(shè)計

除了上述的參考設(shè)計，為了能夠讓開發(fā)者能夠盡快應用UCC256301開展設(shè)計工作，TI還提供了一系列設(shè)計資源支持，如：UCC256301的評估板模塊、在線設(shè)計工具、設(shè)計應用指南，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“痛點”的產(chǎn)品，其低至40mW的優(yōu)異待機功耗表現(xiàn)、比傳統(tǒng)控制方式快10倍的瞬態(tài)響應速度、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)計資源支持，讓人忍不住想盡快上手一試。想必它也不會讓你失望，令你未來的電源設(shè)計如虎添翼。

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