全桥移相ZVSPWM控制器LTC3722-X的原理及应用

摘 要：介绍了新型全桥移相ZVS软开关控制器LTC3722-x的原理，讨论了自适应控制以及集成的同步整流控制的实现，并给出了基于该芯片的通信电源的设计方案。 关键词：LTC3722-X；自适应控制；同步整流；零电压开关 0 引言 上世纪90年代初，随着全桥移相ZVS技术的推出，使该技术在大功率领域中得到了广泛的应用。通过引入超前臂和滞后臂的概念，人们提出了 多种实现ZVS的新方法，并得到了广泛的实际应用。但是，全桥移相ZVS变换器仍然存在如下一些缺点： 1)软开关的边界条件，滞后臂(被动臂)实现ZVS的范围受负载和电源电压的影响，轻载时难以实现ZVS，导致效率下降； 2)引入了大的谐振电感，增加了功率损耗，降低了，效率； 3)整流管换流时，谐振电感与整流管的寄生电容产生强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，有较大的开关噪音； 4)占空比丢失。 LTC3722-X是美国凌特公司2003年4月推出的一款新的全桥移相ZVS控制器，它设有电流型(LTC3722-1)及电压型(LTC3722-2)两个版本，可以有效地解决或缓解以上问题。其除了具有传统的全桥PWM控制器的通用功能外，还增加了两个特色的新技术，即 1)加入了自适应(adaptive)零电压延迟控制，从而使变换器几乎能在整个工作条件下都实现ZVS。由于采用自适应技术，大幅度减小了谐振电感，即缩小了谐振电感的体积及功耗，从而也减小了占空比的丢失以及由此而带来的功率损耗。 2)集成了同步整流控制，可以调节同步整流MOSFET关断的延迟时间，在变压器的二次侧给出两个相差180度的同步整流的驱动脉冲。 1 LTC3722-x的结构 LTC3722-x包括LTC3722-l(电流型)和LTC3722-2(电压型)两种芯片。其管脚如图1和图2所示，管脚说明见表1。 图2是LTC3722-2的内部结构图，主要包括自适应和固定延时电路、同步整流脉冲发生电路、参考电压电路、欠压锁定与软启动电路、误差放大器、斜坡补偿电路等。下面以LTC3722-2为例讨沦其主要特点。 2 自适应延时控制 LTC3722用于实现软开关的工作模式有两种：自适应延迟法和固定延时法，工作电路分别如图3及图4所示。 自适应延时时，LTC3722检测输入电源电压和每个桥臂中点的瞬时电压，以便在所希望的零电压条件达到时再命令开关传输，这种直接检测技术可以提供最佳的延迟时间，而不去管输入电压和负载的状态。直接检测技术仅需要一个简单的电阻分压器。如果没有足够的能量在ZVS条件让两桥臂转换，当达到固定延迟时则强制转换。 LTC3722接成自适应型时，要使用3个端子的功能，即ADLY，PDLY及SBUS。ADLY及PDLY分别检测主动臂(开关SC和SD)及被动臂(开关SA和SB)的2只MOSFET的漏极电压PDLY及ADLY的阈值电压对于上升及下降的转换都由总线电压(SBUS端取得的电压)来没置。在正常总线电压时(例如48 v)SBUs电压为1．5 V，由两只电阻从VIN到GND分压得到。其正比于VIN的变化，LTC3722将上述3个电压比较后，调整4只MOSFET的开关时间，以确保不论VIN如何变化，都工作在ZVS的条件下。 ADLY及PDLY也是接到桥的两腰至GND的分压器上，分别对应主动臂及被动臂。分压器的下电阻选为1 kΩ，上电阻则根据分压器的要求算出。为了确定其阻值，先要确定桥路两臂MOSFET导通时的漏源电压和LTC3722控制器驱动两臂MOSFET开关转换的时间间隔。由于MOSFET的开启延迟及外驱动电路的延迟，理想的状态是功率MOSFET刚好在VDS为零时开启。设置ADILY及PDLY的阈值电压时要根据M0SFET上的几个电压来决定，LTC3722依据内部逻辑计算出零电压的VDS值，并给出适时的驱动信号，从而实现ZVS开启。 LTC3722直接检测电路源自PDLY及ADLY从低电平升至高电平时流出的取样电流。这就提供出一个人为滞后并免除PDLY及ADLY处的开关噪声。所设置的ADLY及PDLY从高到低的阈值与从低到高的阈值极为接近。因此，就可以让上端及下端MOSFET的VDS开关点能达到理想化。一般桥臂的两腰取样阻值分压取7 v，以便适应上面所叙述的2个延迟时间。 固定延时工作模式，可以通过SBUS直接接到Vref端。用3个电阻分压后，将其中2个点各接至PDLY及ADLY端。这种方式的电平取样固定，工作模式也比较简单，但是效果会差一些。 另外，LTC3722可以在桥臂的开关导通信号发出之前调整延迟时间。如果没有足够的能量实现软开关，将自适应延迟电路给旁路掉。只要在DPRG和VREF之间外接一个电阻，该电阻调节从VREF端进入DPRG端的电流，正常时，DPRG端的电压是2 v，调节电阻值得到的延迟时间可以从35 ns调至300ns。 3 同步整流控制 近年来，随着半导体技术的发展，MOSFET的导通电阻已经低于2mΩ，开关速度小于20ns，栅极驱动电荷小于25 nC。同步整流技术不仅应用于5v左右的低电压输出领域，而且在28V以下的输出电源中也取得广泛应用，对于提高变换器的效率起到关键作用。LTC3722恰恰提供了同步整流控制，可以大大简化控制系统的设计。LTC3722根据原边的驱动信号，经过优化计算，在变压器二次侧给出了同步整流的驱动信号，如图5所示。利用MOSFET较低的导通电阻，可以有效地提高系统的效率。另外，LTC3722还可以设定同步整流的关断延时。这样在负载较大时，在变压器磁芯复位后，再关闭相应的整流MOSFET使得续流能够从MOSFET中导通，而不是体二极管。这个时间延迟可以通过调整管脚SPRG接地的一个电阻来设定。该电阻调节从DPRG端进入GND的电流，通常，SPRG端的电压是2V，电阻从10KΩ到200KΩ之间取值时，延迟时间可以调整到20-200ns。 其它的控制，例如：软启动、欠压锁定、频率设定、斜坡补偿、闭环设计等和以前的控制芯片(LTCl922)类似，就不多讨论了。 4 LTC3722-x的应用 LTC3722-x适用于低压大电流的通信电源、服务器和分布式电源系统。 4．1 一种低压大电流电源方案 图6(a)是I．Tc公司推荐的一种12V／240w电源设计方案，图6(b)则给出了这种电源的效率曲线。由图6(b)可知，当输入发生变化时，变换器在较大的负载范围内效率都很高。 4．2 通信电源设计方案 当前程控数字交换设备等通信设备所需要的多为48v或24v的直流电源。而变换器大都采用全桥拓扑，控制方式主要分为两种：zVs和zvSZCS控制。由于以前的控制芯片内部没有集成同步整流控制，使得需要增加额外的电路再实现同步整流，所以实际应用较少。图7是基于Ⅱc3722一x的通信电源的设计方案。 　 5 结语 本文介绍了新型全桥移相zVs软开关控制器LTC3722-x的原理，详细地讨论了其如何实现自适应延时控制，以及集成的同步整流功能。该芯片功能强，设计简单，而且可以大大提高变换器的效率，是目前性能比较好的全桥PWM控制器。