FAN7688：高級次級側LLC諧振轉換器控制器技術解析

在電子工程領域，高效、穩定的電源轉換是眾多應用的核心需求。onsemi的FAN7688作為一款先進的脈沖頻率調制（PFM）控制器，為LLC諧振轉換器帶來了出色的性能表現。本文將深入剖析FAN7688的技術特點、工作原理及應用要點。

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一、FAN7688概述

FAN7688是一款專為LLC諧振轉換器設計的高級PFM控制器，具備同步整流（SR）功能，能為隔離式DC/DC轉換器提供一流的效率。它采用基于電荷控制的電流模式控制技術，將振蕩器的三角波與集成開關電流信息相結合，以確定開關頻率。這種控制方式簡化了反饋回路設計，同時具備真正的輸入功率限制能力。此外，閉環軟啟動功能可防止誤差放大器飽和，確保輸出電壓在任何負載條件下都能單調上升。雙邊緣跟蹤自適應死區時間控制則可最大程度減少體二極管導通時間，從而提高效率。

二、關鍵特性

2.1 控制與響應

• 電荷電流控制：采用電荷電流模式控制，改善了LLC諧振轉換器的動態響應。通過比較開關電流的總電荷（開關電流積分）與控制電壓來調制開關頻率，提供了快速的內環控制和出色的瞬態響應，包括固有的線路前饋。
• 混合控制（PWM + PFM）：為提高輕載效率，FAN7688采用混合控制方式。在輕載時，從PFM模式切換到脈沖寬度調制（PWM）模式，通過固定開關頻率和調整占空比來限制輕載時的開關頻率，降低開關損耗。

2.2 保護功能

• 過流保護（OCP）：通過對ICS引腳和CS引腳的電流監測，實現雙級過流保護。當VICS峰值超過設定閾值時觸發OCP1，當CS引腳電壓超過3.5V或低于 -3.5V時觸發OCP2，并設置了150ns的去抖時間。
• 輸出短路保護（OSP）：當輸出嚴重過載或短路時，反饋電壓與誤差放大器參考電壓的差值大于1.2V時，觸發OSP，無需等待過載保護（OLP）的延遲時間。
• 非零電壓開關預防（NZS）：當補償電壓（VCOMP）高于3V且CS引腳峰值小于0.3V時，檢測到非零電壓開關條件，通過降低內部補償信號來增加開關頻率。
• 功率限制：通過補償削減（頻率偏移）實現功率限制，根據VICS峰值調整內部反饋補償電壓，以限制輸入功率。
• 過載保護（OLP）：具備可編程的關斷延遲時間，通過軟啟動電容的充電時間來確定延遲時間。
• 過溫保護（OTP）：當芯片溫度超過120 - 150°C時，觸發過溫保護。

2.3 其他特性

• 寬工作頻率范圍：工作頻率范圍為39kHz - 690kHz，可適應不同的應用需求。
• 綠色功能：包括輕載時禁用SR和對稱PWM控制，以提高輕載效率，減少開關損耗。
• 可編程死區時間：通過RDT引腳為初級側開關和次級側同步整流器設置可編程的死區時間，提高系統的穩定性和效率。

三、工作原理

3.1 電荷電流控制原理

傳統的LLC諧振轉換器采用電壓模式控制，其補償網絡設計較為復雜。FAN7688采用電荷電流控制，通過將開關電流的積分（VICS）與控制電壓進行比較，來調制開關頻率。由于開關電流的電荷與一個開關周期內的平均輸入電流成正比，電荷控制提供了快速的內環控制，能夠有效應對負載變化。

3.2 混合控制原理

在輕載時，FAN7688從PFM模式切換到PWM模式。當誤差放大器電壓（VCOMP）低于PWM模式閾值時，內部COMP信號被鉗位在閾值水平，開關頻率固定，占空比由COMP電壓與PWM模式閾值電壓的差值決定。隨著VCOMP下降，占空比減小，從而限制了輕載時的開關頻率。

3.3 電流傳感原理

FAN7688通過ICS引腳和CS引腳進行電流傳感。ICS引腳用于積分開關電流，其峰值與LLC諧振轉換器的平均輸入電流成正比，用于SR門極收縮、SR禁用和啟用、過流限制和過流保護等功能。CS引腳用于瞬時開關電流傳感，用于非零電壓開關預防和過流保護。

3.4 軟啟動與輸出電壓調節

在啟動時，內部電流源（Iss.T）對軟啟動（SS）電容充電，SS引腳電壓逐漸升高，從而使輸出電壓單調上升。在過載保護時，SS電容用于關斷延遲時間的設置。

3.5 自動重啟

FAN7688的所有保護功能均為非鎖存、自動重啟模式。當保護觸發時，SS電容的充電和放電過程實現延遲重啟，經過三次充電和放電后，自動恢復啟用。

3.6 同步整流

FAN7688采用雙邊緣跟蹤自適應門極驅動方法，通過測量SR導通時間和關斷擴展時間，生成自適應驅動信號，以優化同步整流的性能。

四、應用要點

4.1 電流傳感設置

• 確保電流傳感電阻和電流互感器的匝數比設計合理，使滿載時電流傳感電阻兩端的電壓大于4V。
• 選擇合適的電阻和電容，避免在正常運行時觸發電流限制。

4.2 軟啟動設置

根據實際的VICS峰值和負載情況，選擇合適的軟啟動電容，以避免在啟動時觸發過載保護。

4.3 死區時間設置

通過RDT引腳和相關的電容電阻設置初級側和次級側的死區時間，注意死區時間的分辨率為25ns，最小和最大死區時間分別為75ns和375ns。

4.4 最小頻率設置

通過連接到FMIN引腳的電阻RFMIN來限制最小開關頻率，計算公式為 (f{SW.MIN }=100 kHz × frac{10 k Omega}{R{FMIN }}) ，最大允許的RFMIN值為25.5kΩ。

4.5 PWM模式設置

通過PWMS引腳的電阻將PWM模式進入閾值設置在1.5V - 1.9V之間，當COMP電壓低于該閾值時，PFM操作切換到PWM模式。

五、典型應用

FAN7688適用于多種電源應用，如桌面ATX電源、服務器電源、電信電源、智能離線電源、高效隔離式DC - DC轉換器、大屏幕顯示電源和工業電源等。在典型的LLC諧振轉換器應用中，FAN7688能夠實現高效的功率轉換，相比肖特基二極管整流，效率可提高4%，在50%負載時峰值效率可達96.7%。

六、總結

FAN7688作為一款先進的LLC諧振轉換器控制器，憑借其獨特的電荷電流控制技術、豐富的保護功能和靈活的控制模式，為電源設計工程師提供了一個高效、可靠的解決方案。在實際應用中，合理設置電流傳感、軟啟動、死區時間等參數，能夠充分發揮FAN7688的性能優勢，滿足不同應用場景的需求。你在使用FAN7688的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。