多模式 PFC + 电流模式 LLC 组合控制器

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。*附件：多模式 PFC + 电流模式 LLC 组合控制器.pdf

1.1 主要功能

1. 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

2. 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

3. 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)

4. 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V CCUVP2 。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(t 2 -t3和t 7 -t 9 )，VCC电流为I CC_START1 ；一旦 IC 启动，VCC 电流在正常操作下为I CC(NOR) ，在突发关闭（burst-off）模式下则为I CC_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 C Z （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：

iC Z ( t )=CZdVi n ( t )dt**= 2 × π ×flin e ×Cz**×√2Vinrms**×co s ( 2 × π ×flin e × t )**
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I CZ ，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(C 3 )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I CC_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(t DMIN )、最大死区时间(t DMAX )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。

图 59：波形演示 ADTA逻辑

5.5 斜率补偿功能

为了保证电流模式控制的稳定性，将 4 位数字可调斜率电压 VCR_SLOPE添加到采样电压VCR上以生成 V CS （参见图 60）。

图 60：斜率补偿波形

5.7 LLC谐振腔参数设计

请参考[在线设计工具]

8. 布局

本节介绍电路板布局时布线和放置关键组件的主要注意事项。

图 74 显示了一个单层板中的GND 连接示例。其PGND与GNDD相连，以在IC下面尽量做大接地面积，然后直接连接至总线电容的负端口 。

图 74：PCB布局示例

9. 设计实例

评估板（EVB）用于验证和评估 HR1211 的性能。有关 EVB 的详细信息，请参阅 EVB 数据手册。

9.2 评估板

审核编辑 黄宇