【应用说明】多模式 PFC + 电流模式 LLC 组合控制器

Casey.Zheng · 2024 年1 月 17 日 02:06

1. 简介

HR1211是一款集成了多模式 PFC 和电流模式 HB LLC 的组合控制器，它性能卓越，具体参数请参阅 HR1211 数据手册。

1.1 主要功能

一般功能

高压电流源上电
AC断开时提供智能 X 电容放电器
提供UART接口用于参数配置
用户友好GUI可优化 PFC 和 LLC 设计

功率因数校正（PFC）控制器

专利产品 CCM/DCM 多模式 PFC 控制器，从轻载到满载均具备高效率
输入电容电流补偿技术可实现高功率因数（PF）
可调频率抖动功能降低了电磁干扰 (EMI)
精确调整并自动调节输出电压
数字PI提供电压环路补偿

半桥 LLC 控制器

具有集成自举 (BST) 二极管和高 dV/dt 抗扰度的 600V 上管 (HS) 栅极驱动器
电流模式控制
具有最小和最大限制的自适应死区时间调整
轻载运行期间提供跳频/突发模式切换
可调软启动 (SS)

保护功能

精确的欠压保护/开启（可调阈值和去抖动定时器）
逐周期 PFC 限流保护
PFC 输出过压保护（OVP）
可调 PFC 开环保护 (OLP)
LLC 短路保护 (OCP)
LLC 过功率保护 (OPP)
提供SO 引脚以实现外部保护
LLC容性模式保护
过温关断 (TSD)保护

1.2 功能模块

HR1211 的功能如下所列，其功能框图如图1所示：

电源管理
数字 PFC 控制器
数字 HB LLC 控制器
MTP 和 UART 通信

图 1：HR1211 功能框图

2. 典型应用电路

图 2：典型应用电路

3. 电源功能

HR1211 的电源部分包括为IC上电的高压电流源 (HVCS)、为栅极驱动器供电的 VREG 稳压器以及为数字内核供电的 3.3V 稳压器。HR1211自带监控电路和保护电路，可确保IC运行更加稳健。

3.2.1 用外部电压为VCC供电

外部电压可以是备用电源或者直流电源。通常，VCC 电压应高于VCCUVP2。要在 HVCS 给 VCC 充电时正常给 IC 加电，必须添加一个二极管以隔离待机电源和VCC （见图 7）。

图 7：用备用电源为 VCC供电

3.2.2 用LLC 辅助绕组为VCC 供电

对于非待机应用，VCC 由 LLC 辅助绕组供电以实现高效率。图 8 显示了两种类型的辅助绕组配置：半波整流器和全波整流器。通常，如果两种绕组的匝数相同，则全波整流器具有更高的效率并可以产生更大的 VCC，因此其轻载效率更高；但全波整流器需要额外的绕组和整流二极管，因此成本也较高。

图 8：用 LLC 辅助绕组为 VCC 供电

3.2.3 VCC 电流

VCC消耗的电流包括V3.3电流、VREG电流和内部电路的偏置电流。总电流是这三个电流的总和。

在t0-t2期间，且在V3.3启动之前，VCC电流约为200µs；在V3.3启动期间且IC启动之前(t2-t3和t7-t9)，VCC电流为ICC_START1；一旦 IC 启动，VCC 电流在正常操作下为ICC(NOR)，在突发关闭（burst-off）模式下则为ICC_BURST。

4.3 PFC 输出调节

PFC 输出电压 VBUS 由数字 PI 环路调节。如图 13 所示，如果 ROUT1 和 ROUT2的精度为 1%，则 VBUS 的精度在 2.5% 以内（ADC 精度约为 0.6%）。

为提高 PFC 效率，HR1211 可以在不同的输入电压和输出负载条件下自动调节输出电压。例如，当输入电压较低时，输出电压也可以设置得较低。图 24 显示了部分参数的配置。

图 24：输出电压调节 GUI 界面

4.4 PFC 的突发操作

当输出负载降低时，PFC 变换器以突发模式运行。进入突发模式的电平可配置，具体通过VCOMP_FULL的百分比进行设置。

4.7 PF补偿

为满足EMI要求，通常会在L线和N线之间连接一个X电容，同时在桥式二极管的输出端连接一个高压电容，这样X电容始终会与高压电容并联。但其输入电流将失真并超前电感电流，如图 32 所示。流经 CZ（X电容加上电桥之后的高压电容）的电流可以用公式（36）来计算：

其中fLINE是输入电压的频率。

图 32：输入电流、C1 电流和电感电流的关系

该电流会导致轻载时的输入电流发生相移，并降低功率因数和 THD。HR1211则采用数字三角波来补偿ICZ，如图 34所示。

图 34：三角波补偿

4.10 可配置数字滤波器

4.10.1 电流采样滤波器

HR1211内部提供两个可配置的数字滤波器（csp 滤波器和 td 滤波器），以提高抗噪性。

csp 滤波器和 td 滤波器都是二阶滤波器，可以通过 GUI 配置（参见图 42）。按钮设置为“ON”时，滤波功能启用；按钮设置为“OFF”时，滤波功能禁用。每阶滤波器都有15级带宽，可根据实际应用灵活选择。

图 42：可配置数字滤波器参数

4.10.2 电压采样滤波器

为了增强 PFC 输出电压采样的抗干扰能力，HR1211提供了一个可配置滤波器用于FBP 采样。该数字滤波器的截止频率可配置为三个级别。利用电压采样滤波器，与Rout2并联的电容(C3)可以减小，这样不仅可改善动态响应，还可提高过压保护的精度。

5. HB 谐振功能

半桥谐振变换器 (LLC)通常借助零电压开关 (ZVS) 实现高效率。HR1211 的 LLC 变换器则采用了专利技术电流模式控制方法。

5.1 电流模式控制

LLC 电流模式控制策略通过采样 CR 和 FBL 电压来确定 LLC 开关频率，如图 45所示。

图 45：LLC 电流模式控制策略

5.2 LLC 工作模式控制策略

对于 HB LLC 拓扑来说，开关频率变高将导致轻载条件下的磁化和开关损耗增加。为了控制输出电压并限制功耗，HR1211 在轻载时采用跳频模式操作，在超轻载时则采用突发模式操作；这极大地降低了平均开关频率，并因此降低了磁损耗。

5.2.2 突发模式操作

随着负载变得更轻，为了进一步限制平均开关频率，在跳频模式中插入更长的开关空闲时间，这称为突发模式操作。

5.2.2.2 超低功耗模式

为进一步降低IC功耗，HR1211在Burst-off期间（PFC和LLC均进入突发模式）采用超低功耗模式。在这种模式下，系统时钟减少至 1/10，一些内部偏置电流也关断。IC 总功耗减少至ICC_BRUST（通常为 1.8mA）。

5.4 自适应死区时间调整 (ADTA)

自适应死区时间控制功能可自动调整死区时间，使 LLC 变换器因 ZVS 而实现从轻载到满载的高效率。

ADTA 逻辑中可能出现的死区时间如图 59 所示。可以看到，可能的死区时间有三个：最小死区时间(tDMIN)、最大死区时间(tDMAX)和调整后的死区时间（其值介于 tDMIN 和 tDMAX之间）。当开关频率的转换时间小于 tDMIN时，其逻辑会阻止 HG 或 LG 的栅极，直到达到 tDMIN ；这样可避免上下管 MOSFET 产生击穿。如果死区时间过长，可能会导致占空比损耗和软开关损耗；达到最大死区时间tDMAX ，则强制栅极导通。tDMIN 和 tDMAX均可通过GUI配置。