全橋移相ZVSPWM控制器LTC3722-X的原理及應(yīng)用

摘  要：介紹了新型全橋移相ZVS軟開關(guān)控制器LTC3722-x的原理，討論了自適應(yīng)控制以及集成的同步整流控制的實(shí)現(xiàn)，并給出了基于該芯片的通信電源的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：LTC3722-X；自適應(yīng)控制；同步整流；零電壓開關(guān)

0 引言
    上世紀(jì)90年代初，隨著全橋移相ZVS技術(shù)的推出，使該技術(shù)在大功率領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。通過引入超前臂和滯后臂的概念，人們提出了 多種實(shí)現(xiàn)ZVS的新方法，并得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。但是，全橋移相ZVS變換器仍然存在如下一些缺點(diǎn)：

    1)軟開關(guān)的邊界條件，滯后臂(被動(dòng)臂)實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍受負(fù)載和電源電壓的影響，輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)ZVS，導(dǎo)致效率下降；
    2)引入了大的諧振電感，增加了功率損耗，降低了，效率；
    3)整流管換流時(shí)，諧振電感與整流管的寄生電容產(chǎn)生強(qiáng)烈振蕩，導(dǎo)致整流管的電壓應(yīng)力較高，吸收電路的損耗較大，有較大的開關(guān)噪音；
    4)占空比丟失。

    LTC3722-X是美國凌特公司2003年4月推出的一款新的全橋移相ZVS控制器，它設(shè)有電流型(LTC3722-1)及電壓型(LTC3722-2)兩個(gè)版本，可以有效地解決或緩解以上問題。其除了具有傳統(tǒng)的全橋PWM控制器的通用功能外，還增加了兩個(gè)特色的新技術(shù)，即
    1)加入了自適應(yīng)(adaptive)零電壓延遲控制，從而使變換器幾乎能在整個(gè)工作條件下都實(shí)現(xiàn)ZVS。由于采用自適應(yīng)技術(shù)，大幅度減小了諧振電感，即縮小了諧振電感的體積及功耗，從而也減小了占空比的丟失以及由此而帶來的功率損耗。
    2)集成了同步整流控制，可以調(diào)節(jié)同步整流MOSFET關(guān)斷的延遲時(shí)間，在變壓器的二次側(cè)給出兩個(gè)相差180度的同步整流的驅(qū)動(dòng)脈沖。

1 LTC3722-x的結(jié)構(gòu)
    LTC3722-x包括LTC3722-l(電流型)和LTC3722-2(電壓型)兩種芯片。其管腳如圖1和圖2所示，管腳說明見表1。

    圖2是LTC3722-2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，主要包括自適應(yīng)和固定延時(shí)電路、同步整流脈沖發(fā)生電路、參考電壓電路、欠壓鎖定與軟啟動(dòng)電路、誤差放大器、斜坡補(bǔ)償電路等。下面以LTC3722-2為例討淪其主要特點(diǎn)。

2 自適應(yīng)延時(shí)控制
    LTC3722用于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的工作模式有兩種：自適應(yīng)延遲法和固定延時(shí)法，工作電路分別如圖3及圖4所示。

    自適應(yīng)延時(shí)時(shí)，LTC3722檢測輸入電源電壓和每個(gè)橋臂中點(diǎn)的瞬時(shí)電壓，以便在所希望的零電壓條件達(dá)到時(shí)再命令開關(guān)傳輸，這種直接檢測技術(shù)可以提供最佳的延遲時(shí)間，而不去管輸入電壓和負(fù)載的狀態(tài)。直接檢測技術(shù)僅需要一個(gè)簡單的電阻分壓器。如果沒有足夠的能量在ZVS條件讓兩橋臂轉(zhuǎn)換，當(dāng)達(dá)到固定延遲時(shí)則強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。

    LTC3722接成自適應(yīng)型時(shí)，要使用3個(gè)端子的功能，即ADLY，PDLY及SBUS。ADLY及PDLY分別檢測主動(dòng)臂(開關(guān)SC和SD)及被動(dòng)臂(開關(guān)SA和SB)的2只MOSFET的漏極電壓PDLY及ADLY的閾值電壓對于上升及下降的轉(zhuǎn)換都由總線電壓(SBUS端取得的電壓)來沒置。在正常總線電壓時(shí)(例如48 v)SBUs電壓為1．5 V，由兩只電阻從VIN到GND分壓得到。其正比于VIN的變化，LTC3722將上述3個(gè)電壓比較后，調(diào)整4只MOSFET的開關(guān)時(shí)間，以確保不論VIN如何變化，都工作在ZVS的條件下。

    ADLY及PDLY也是接到橋的兩腰至GND的分壓器上，分別對應(yīng)主動(dòng)臂及被動(dòng)臂。分壓器的下電阻選為1 kΩ，上電阻則根據(jù)分壓器的要求算出。為了確定其阻值，先要確定橋路兩臂MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏源電壓和LTC3722控制器驅(qū)動(dòng)兩臂MOSFET開關(guān)轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔。由于MOSFET的開啟延遲及外驅(qū)動(dòng)電路的延遲，理想的狀態(tài)是功率MOSFET剛好在VDS為零時(shí)開啟。設(shè)置ADILY及PDLY的閾值電壓時(shí)要根據(jù)M0SFET上的幾個(gè)電壓來決定，LTC3722依據(jù)內(nèi)部邏輯計(jì)算出零電壓的VDS值，并給出適時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號，從而實(shí)現(xiàn)ZVS開啟。

    LTC3722直接檢測電路源自PDLY及ADLY從低電平升至高電平時(shí)流出的取樣電流。這就提供出一個(gè)人為滯后并免除PDLY及ADLY處的開關(guān)噪聲。所設(shè)置的ADLY及PDLY從高到低的閾值與從低到高的閾值極為接近。因此，就可以讓上端及下端MOSFET的VDS開關(guān)點(diǎn)能達(dá)到理想化。一般橋臂的兩腰取樣阻值分壓取7 v，以便適應(yīng)上面所敘述的2個(gè)延遲時(shí)間。

    固定延時(shí)工作模式，可以通過SBUS直接接到Vref端。用3個(gè)電阻分壓后，將其中2個(gè)點(diǎn)各接至PDLY及ADLY端。這種方式的電平取樣固定，工作模式也比較簡單，但是效果會差一些。
 
    另外，LTC3722可以在橋臂的開關(guān)導(dǎo)通信號發(fā)出之前調(diào)整延遲時(shí)間。如果沒有足夠的能量實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，將自適應(yīng)延遲電路給旁路掉。只要在DPRG和VREF之間外接一個(gè)電阻，該電阻調(diào)節(jié)從VREF端進(jìn)入DPRG端的電流，正常時(shí)，DPRG端的電壓是2 v，調(diào)節(jié)電阻值得到的延遲時(shí)間可以從35 ns調(diào)至300ns。

3 同步整流控制
    近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，MOSFET的導(dǎo)通電阻已經(jīng)低于2mΩ，開關(guān)速度小于20ns，柵極驅(qū)動(dòng)電荷小于25 nC。同步整流技術(shù)不僅應(yīng)用于5v左右的低電壓輸出領(lǐng)域，而且在28V以下的輸出電源中也取得廣泛應(yīng)用，對于提高變換器的效率起到關(guān)鍵作用。LTC3722恰恰提供了同步整流控制，可以大大簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。LTC3722根據(jù)原邊的驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，在變壓器二次側(cè)給出了同步整流的驅(qū)動(dòng)信號，如圖5所示。利用MOSFET較低的導(dǎo)通電阻，可以有效地提高系統(tǒng)的效率。另外，LTC3722還可以設(shè)定同步整流的關(guān)斷延時(shí)。這樣在負(fù)載較大時(shí)，在變壓器磁芯復(fù)位后，再關(guān)閉相應(yīng)的整流MOSFET使得續(xù)流能夠從MOSFET中導(dǎo)通，而不是體二極管。這個(gè)時(shí)間延遲可以通過調(diào)整管腳SPRG接地的一個(gè)電阻來設(shè)定。該電阻調(diào)節(jié)從DPRG端進(jìn)入GND的電流，通常，SPRG端的電壓是2V，電阻從10KΩ到200KΩ之間取值時(shí)，延遲時(shí)間可以調(diào)整到20-200ns。

    其它的控制，例如：軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、頻率設(shè)定、斜坡補(bǔ)償、閉環(huán)設(shè)計(jì)等和以前的控制芯片(LTCl922)類似，就不多討論了。

4 LTC3722-x的應(yīng)用
    LTC3722-x適用于低壓大電流的通信電源、服務(wù)器和分布式電源系統(tǒng)。

4．1 一種低壓大電流電源方案
    圖6(a)是I．Tc公司推薦的一種12V／240w電源設(shè)計(jì)方案，圖6(b)則給出了這種電源的效率曲線。由圖6(b)可知，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，變換器在較大的負(fù)載范圍內(nèi)效率都很高。

4．2 通信電源設(shè)計(jì)方案
    當(dāng)前程控?cái)?shù)字交換設(shè)備等通信設(shè)備所需要的多為48v或24v的直流電源。而變換器大都采用全橋拓?fù)?，控制方式主要分為兩種：zVs和zvSZCS控制。由于以前的控制芯片內(nèi)部沒有集成同步整流控制，使得需要增加額外的電路再實(shí)現(xiàn)同步整流，所以實(shí)際應(yīng)用較少。圖7是基于Ⅱc3722一x的通信電源的設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)語
    本文介紹了新型全橋移相zVs軟開關(guān)控制器LTC3722-x的原理，詳細(xì)地討論了其如何實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)延時(shí)控制，以及集成的同步整流功能。該芯片功能強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡單，而且可以大大提高變換器的效率，是目前性能比較好的全橋PWM控制器。