深入解析FAN7688：帶同步整流控制的LLC諧振變換器控制器

在電子工程領(lǐng)域，電源管理芯片的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。FAN7688作為一款具有同步整流控制功能的先進(jìn)次級(jí)端LLC諧振變換器控制器，為隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)FAN7688進(jìn)行詳細(xì)解析，探討其特性、工作原理及應(yīng)用。

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一、FAN7688概述

FAN7688是一款高級(jí)脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制器，專為帶同步整流（SR）功能的LLC諧振控制器設(shè)計(jì)，能為隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器提供一流的效率。其采用的電流模式控制技術(shù)以電荷控制為基礎(chǔ)，結(jié)合振蕩器的三角形波形和開(kāi)關(guān)電流信息確定開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了更佳的功率級(jí)控制到輸出傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)化了反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，還具備輸入功率限制功能。此外，閉環(huán)軟啟動(dòng)可防止誤差放大器飽和，使輸出電壓?jiǎn)握{(diào)上升，不受負(fù)載條件影響。雙緣跟蹤自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制功能則能最大程度減小體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，提高效率。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 控制功能與響應(yīng)提升

• 充電電流控制：可提高瞬態(tài)響應(yīng)，簡(jiǎn)化反饋環(huán)路設(shè)計(jì)。
• 自適應(yīng)同步整流控制：具有雙緣跟蹤功能，優(yōu)化整流效率。
• 閉環(huán)軟啟動(dòng)：確保輸出電壓?jiǎn)握{(diào)上升，避免誤差放大器飽和。

2.2 寬工作范圍與節(jié)能特性

• 寬工作頻率范圍：39kHz - 690kHz，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。
• 綠色功能：提高輕負(fù)載效率，降低功耗。
• 對(duì)稱PWM控制：在輕載下限制開(kāi)關(guān)頻率，降低開(kāi)關(guān)損耗。

2.3 多重保護(hù)功能

• 過(guò)流保護(hù)（OCP）：防止電流過(guò)大損壞器件。
• 輸出短路保護(hù)（OSP）：應(yīng)對(duì)輸出短路情況，保障系統(tǒng)安全。
• 非零電壓開(kāi)關(guān)防止功能（NZS）：通過(guò)補(bǔ)償削減（頻率偏移）避免非零電壓開(kāi)關(guān)。
• 功率限制：通過(guò)補(bǔ)償削減（頻率偏移）限制功率。
• 過(guò)載保護(hù)（OLP）：關(guān)斷延遲時(shí)間可調(diào)，增強(qiáng)保護(hù)靈活性。
• 過(guò)溫保護(hù)（OTP）：防止器件因過(guò)熱損壞。

2.4 其他特性

• 可編程死區(qū)時(shí)間：適用于初級(jí)端開(kāi)關(guān)和次級(jí)端同步整流器。
• Vpp欠壓鎖定（UVLO）：確保在電壓不足時(shí)可靠關(guān)斷。
• 寬工作溫度范圍：-40°C到 +125°C，適應(yīng)不同環(huán)境。

三、引腳配置與定義

FAN7688采用SOP16封裝，各引腳具有特定功能：

• 5VB：PWM模式入口電平設(shè)置，最小頻率設(shè)置引腳。
• COMP：誤差放大器的輸出。
• SS：軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置引腳。
• ICS：用于電流模式控制的電流信息整合引腳。
• CS：用于過(guò)流保護(hù)的電流感測(cè)。
• RDT：初級(jí)端開(kāi)關(guān)和次級(jí)端SR開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間設(shè)置引腳。
• SROUT1、SROUT2：同步整流輸出。
• PROUT1、PROUT2：初級(jí)端開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出。
• VDD：IC電源電壓。
• GND：接地。

四、工作原理

4.1 充電電流控制

LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常采用電壓模式控制，但補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。FAN7688采用充電電流模式控制，將開(kāi)關(guān)電流的總電荷與控制電壓比較來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)電流的電荷與平均輸入電流成比例，通過(guò)快速內(nèi)部環(huán)路實(shí)現(xiàn)卓越的瞬態(tài)響應(yīng)。PFM塊的內(nèi)部時(shí)序電容（CT）充電電流取決于FMIN引腳流出的電流，時(shí)序電容電壓上限確定最小開(kāi)關(guān)頻率。鋸齒波形（VSAW）由Q1開(kāi)關(guān)電流（VICS）的積分與振蕩器的時(shí)序電容電壓（VCT）相加生成，再與補(bǔ)償電壓（VCOMP）比較確定開(kāi)關(guān)頻率。

4.2 混合控制（PWM + PFM）

傳統(tǒng)PFM控制在輕負(fù)載下效率較低，F(xiàn)AN7688采用混合控制，在輕負(fù)載時(shí)從PFM切換到PWM模式。當(dāng)誤差放大器電壓（VCOMP）小于PWM模式閾值時(shí)，內(nèi)部COMP信號(hào)被箝位，PFM切換到PWM模式。在PWM模式下，開(kāi)關(guān)頻率由COMP內(nèi)部箝位電壓固定，占空比取決于COMP電壓和PWM模式閾值電壓之差，從而限制輕負(fù)載下的開(kāi)關(guān)頻率。PWM模式閾值可通過(guò)PWMS引腳上的電阻在1.5V - 1.9V之間編程。

4.3 電流檢測(cè)

FAN7688可檢測(cè)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電流和開(kāi)關(guān)電流的積分。通常使用電流互感器檢測(cè)初級(jí)端電流，ICS引腳根據(jù)感測(cè)電阻電壓和自身電壓的壓差進(jìn)行充放電。電流感測(cè)電壓（VICS）積分的峰值與LLC諧振轉(zhuǎn)換器的平均輸入電流成比例，可用于SR柵極收縮、SR禁用和使能、過(guò)流限制和過(guò)流保護(hù)（OCP1）等功能。CS引腳上的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電流感測(cè)用于非零電壓開(kāi)關(guān)預(yù)防和過(guò)流保護(hù)（OCP2）。

4.4 軟啟動(dòng)和輸出電壓調(diào)節(jié)

在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，軟啟動(dòng)（SS）引腳連接到箝位在2.4V的誤差放大器同相輸入端，反饋環(huán)路在檢測(cè)到的輸出電壓與SS引腳電壓相同時(shí)運(yùn)行。啟動(dòng)期間，內(nèi)部電流源對(duì)SS電容器充電，SS引腳電壓逐漸增加，輸出電壓也隨之單調(diào)增加。SS電容器還用于過(guò)載保護(hù)（OLP）期間的關(guān)斷延遲時(shí)間，當(dāng)SS電容器電壓達(dá)到3.6V時(shí)觸發(fā)OLP。

4.5 完成保護(hù)后自動(dòng)重啟

FAN7688的所有保護(hù)均為非閉鎖自動(dòng)重啟，延遲重啟通過(guò)充電或放電SS電容器實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)保護(hù)后，禁用SS箝位電路，SS電容器先充電到4.7V，再放電到0.1V，經(jīng)過(guò)三次充放電后自動(dòng)恢復(fù)。

4.6 輸出短路保護(hù)

當(dāng)輸出嚴(yán)重過(guò)載或短路，誤差放大器的參考電壓與FB電壓之差大于1.2V時(shí)，立即觸發(fā)輸出短路保護(hù)（OSP），降低功率級(jí)功耗。

4.7 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

通過(guò)RDT引腳調(diào)節(jié)初級(jí)端柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和次級(jí)端SR柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間。RDT引腳電壓上升和下降時(shí)間分別決定次級(jí)端和初級(jí)端的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間設(shè)置分辨率為25ns，最長(zhǎng)和最短死區(qū)時(shí)間分別為75ns和375ns。在輕負(fù)載PWM模式下，死區(qū)時(shí)間翻倍以降低開(kāi)關(guān)損耗。

4.8 最小頻率設(shè)置

通過(guò)比較時(shí)序電容電壓（VCT）與內(nèi)部3V參考限制最小開(kāi)關(guān)頻率，最小開(kāi)關(guān)頻率由與FMIN引腳連接的電阻（RFMIN）決定，公式為 (f{SW.MIN }=100 kHz × frac{10 k Omega}{R{FMIN }}) 。數(shù)字計(jì)數(shù)器限制最小可編程開(kāi)關(guān)頻率為39kHz，允許的RFMIN最大值為25.5kΩ。

4.9 PWM模式入口電平設(shè)置

當(dāng)COMP電壓降至VCOMP.PWM以下時(shí)，PFM運(yùn)行切換到PWM模式，PWM入口電平閾值可通過(guò)PWMS引腳上的電阻在1.5V - 1.9V之間編程。進(jìn)入PWM模式后，禁用SR柵極驅(qū)動(dòng)器。

4.10 脈沖跳變工作

當(dāng)COMP電壓降至VCOMP.SKIP（1.25V）以下或FB電壓升至VFB.OVP1（2.65V）以上時(shí)，采用脈沖跳變工作降低開(kāi)關(guān)損耗。隨著COMP電壓升至1.3V以上或FB電壓降至VFB.OVP2（2.3V）以下，恢復(fù)開(kāi)關(guān)操作。

4.11 同步整流

FAN7688使用雙緣跟蹤自適應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)方法預(yù)測(cè)SR電流過(guò)零瞬間。第一個(gè)跟蹤電路測(cè)量SR導(dǎo)通時(shí)間，生成第一個(gè)自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第二個(gè)跟蹤電路測(cè)量關(guān)斷延長(zhǎng)時(shí)間，生成第二個(gè)自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)AND閘合兩個(gè)信號(hào)獲得最佳自適應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SR導(dǎo)通時(shí)間通過(guò)SR1DS引腳測(cè)量，檢測(cè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換以預(yù)測(cè)SR電流過(guò)零瞬間。

4.12 保持時(shí)間擴(kuò)張功能

離線電源的保持時(shí)間受輸入電壓和功率限制影響。FAN7688的保持時(shí)間擴(kuò)張功能可在LLC諧振轉(zhuǎn)換器低于諧振操作時(shí)增加ICS引腳電壓上的限流閾值。當(dāng)SR導(dǎo)通時(shí)間在一定時(shí)間內(nèi)滿足特定條件時(shí)，使能或恢復(fù)限流值。

五、典型應(yīng)用與性能

FAN7688適用于多種應(yīng)用，如臺(tái)式ATX、臺(tái)式衍生服務(wù)器、刀片服務(wù)器、電信電源、智能100W - 2kW + 離線電源、高效率隔離DC - DC轉(zhuǎn)換器、大屏幕顯示器電源和工業(yè)電源等。在典型應(yīng)用電路（LLC諧振轉(zhuǎn)換器）中，相較于肖特基二極管，整流效率提高4%，在不同負(fù)載下均能達(dá)到較高的峰值效率。

六、總結(jié)

FAN7688作為一款先進(jìn)的LLC諧振變換器控制器，憑借其豐富的特性和出色的性能，為隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了高效、穩(wěn)定的解決方案。其多種控制功能、保護(hù)機(jī)制和自適應(yīng)特性，使其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的表現(xiàn)。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電源系統(tǒng)時(shí)，可充分考慮FAN7688的優(yōu)勢(shì)，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似控制器的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。