全橋移相ZVSPWM控制器LTC3722-X的原理及應用

時間：2006-11-10 22:34:00

關鍵字： LTC 全橋移相 ZVSPWM SPWM控制器

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[導讀]介紹了新型全橋移相ZVS軟開關控制器LTC3722-x的原理，討論了自適應控制以及集成的同步整流控制的實現(xiàn)，并給出了基于該芯片的通信電源的設計方案。

摘要：介紹了新型全橋移相ZVS軟開關控制器LTC3722-x的原理，討論了自適應控制以及集成的同步整流控制的實現(xiàn)，并給出了基于該芯片的通信電源的設計方案。
關鍵詞：LTC3722-X；自適應控制；同步整流；零電壓開關

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

    1)軟開關的邊界條件，滯后臂(被動臂)實現(xiàn)ZVS的范圍受負載和電源電壓的影響，輕載時難以實現(xiàn)ZVS，導致效率下降；
    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，諧振電感與整流管的寄生電容產(chǎn)生強烈振蕩，導致整流管的電壓應力較高，吸收電路的損耗較大，有較大的開關噪音；
    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，它設有電流型(LTC3722-1)及電壓型(LTC3722-2)兩個版本，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，還增加了兩個特色的新技術，即
    1)加入了自適應(adaptive)零電壓延遲控制，從而使變換器幾乎能在整個工作條件下都實現(xiàn)ZVS。由于采用自適應技術，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關斷的延遲時間，在變壓器的二次側給出兩個相差180度的同步整流的驅(qū)動脈沖。

1 LTC3722-x的結構
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)部結構圖，主要包括自適應和固定延時電路、同步整流脈沖發(fā)生電路、參考電壓電路、欠壓鎖定與軟啟動電路、誤差放大器、斜坡補償電路等。下面以LTC3722-2為例討淪其主要特點。

2 自適應延時控制
LTC3722用于實現(xiàn)軟開關的工作模式有兩種：自適應延遲法和固定延時法，工作電路分別如圖3及圖4所示。

    自適應延時時，LTC3722檢測輸入電源電壓和每個橋臂中點的瞬時電壓，以便在所希望的零電壓條件達到時再命令開關傳輸，這種直接檢測技術可以提供最佳的延遲時間，而不去管輸入電壓和負載的狀態(tài)。直接檢測技術僅需要一個簡單的電阻分壓器。如果沒有足夠的能量在ZVS條件讓兩橋臂轉(zhuǎn)換，當達到固定延遲時則強制轉(zhuǎn)換。

    LTC3722接成自適應型時，要使用3個端子的功能，即ADLY，PDLY及SBUS。ADLY及PDLY分別檢測主動臂(開關SC和SD)及被動臂(開關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?？偩€電壓時(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個電壓比較后，調(diào)整4只MOSFET的開關時間，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，分別對應主動臂及被動臂。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導通時的漏源電壓和LTC3722控制器驅(qū)動兩臂MOSFET開關轉(zhuǎn)換的時間間隔。由于MOSFET的開啟延遲及外驅(qū)動電路的延遲，理想的狀態(tài)是功率MOSFET剛好在VDS為零時開啟。設置ADILY及PDLY的閾值電壓時要根據(jù)M0SFET上的幾個電壓來決定，LTC3722依據(jù)內(nèi)部邏輯計算出零電壓的VDS值，并給出適時的驅(qū)動信號，從而實現(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流出的取樣電流。這就提供出一個人為滯后并免除PDLY及ADLY處的開關噪聲。所設置的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開關點能達到理想化。一般橋臂的兩腰取樣阻值分壓取7 v，以便適應上面所敘述的2個延遲時間。

    固定延時工作模式，可以通過SBUS直接接到Vref端。用3個電阻分壓后，將其中2個點各接至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可以在橋臂的開關導通信號發(fā)出之前調(diào)整延遲時間。如果沒有足夠的能量實現(xiàn)軟開關，將自適應延遲電路給旁路掉。只要在DPRG和VREF之間外接一個電阻，該電阻調(diào)節(jié)從VREF端進入DPRG端的電流，正常時，DPRG端的電壓是2 v，調(diào)節(jié)電阻值得到的延遲時間可以從35 ns調(diào)至300ns。

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

其它的控制，例如：軟啟動、欠壓鎖定、頻率設定、斜坡補償、閉環(huán)設計等和以前的控制芯片(LTCl922)類似，就不多討論了。

4 LTC3722-x的應用
LTC3722-x適用于低壓大電流的通信電源、服務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電源設計方案，圖6(b)則給出了這種電源的效率曲線。由圖6(b)可知，當輸入發(fā)生變化時，變換器在較大的負載范圍內(nèi)效率都很高。

4．2 通信電源設計方案
當前程控數(shù)字交換設備等通信設備所需要的多為48v或24v的直流電源。而變換器大都采用全橋拓撲，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現(xiàn)同步整流，所以實際應用較少。圖7是基于Ⅱc3722一x的通信電源的設計方案。