FAN7688 LLC諧振評估板：設計與性能深度剖析

在電子電源設計領域，LLC諧振變換器憑借其高效、高功率密度等優勢，成為眾多工程師的首選方案。Fairchild的FAN7688 LLC諧振控制器及其評估板FEBFAN7688_I00250A，為工程師提供了一個理想的測試和開發平臺。本文將深入剖析該評估板的設計特點、性能指標以及測試結果，希望能為電子工程師們在電源設計過程中提供有價值的參考。

文件下載：FEBFAN7688_I00250A.pdf

一、FAN7688控制器概述

1.1 基本描述

FAN7688是一款二次側LLC諧振脈沖頻率調制（PFM）控制器，具備專用的同步整流（SR）柵極驅動功能，為隔離式DC/DC轉換器提供了卓越的效率。它通過感測和積分初級諧振電流，采用一種稱為電荷控制的峰值電流模式控制方法，將積分后的諧振電流與內部振蕩器產生的三角波相結合，確定開關頻率，從而優化了功率級的控制到輸出傳遞函數，簡化了反饋回路設計，并實現了真正的輸入功率限制能力。

1.2 內部結構

FAN7688的內部集成了多個功能模塊，如死區時間控制塊、數字PFM/PWM塊、自適應SR控制塊等。這些模塊協同工作，確保了控制器在不同負載和輸入條件下的穩定運行。例如，雙邊緣跟蹤自適應SR驅動技術能夠最小化SR MOSFET的體二極管導通時間，從而提高整體效率。

1.3 控制器特性

• 二次側控制優勢：相較于初級側控制，二次側控制能夠直接感測SR漏極電壓，實現更精確的SR時序優化和更高的可靠性。同時，直接感測輸出電壓使得控制器能夠實現精確的閉環軟啟動、直接與負載接口，并在啟動時提供輸出短路過載保護。
• 混合控制模式：FAN7688采用混合控制方案，根據線路或負載條件（COMP電壓），可以在固定頻率PWM模式和傳統PFM模式之間無縫切換。在輕載和啟動時，PFM模式命令最高開關頻率；而在輕載時，采用固定頻率PWM模式可以減少高頻開關損耗，提高輕載效率。
• 輕載效率優化：通過ICS引腳可編程的SR_SKIP功能，在特定的最小負載點禁用SR開關，進一步提高輕載效率。當積分電流感測的峰值小于SR_SKIP啟用閾值時，SR開關將被禁用，負載電流將通過SR體二極管或并聯的肖特基整流器流動。
• 全面的保護功能：FAN7688具備一系列自動重啟保護功能，包括逐脈沖過流保護（OCP）、輸出短路保護（OSP）、非零電壓開關保護（NZP）、過載保護（OLP）和過溫保護（OTP）。通過FMIN引腳可以編程設置最小頻率，避免變換器進入電容區域運行，從而防止ZVS丟失、直流增益反轉和體二極管反向恢復等問題。

二、評估板概述

2.1 硬件設計

FEBFAN7688_I00250A評估板采用四層印刷電路板（PCB）設計，尺寸為163 mm x 89 mm x 25 mm，額定功率為250 W（12.5 V / 20 A），最大功率限制設置為375 W。該評估板是一個DC/DC轉換器，輸入電壓為400 V，典型的離線PFC升壓轉換器輸出電壓，輸出電壓穩定在12.5 V。評估板包含一個輸入大容量電容器C1，但在使用PFC輸出時，C1可省略。此外，評估板還需要一個外部12 V偏置電源電壓。

2.2 測試點設計

評估板提供了豐富的測試點，方便工程師進行各種信號的測量和調試。例如，通過移除R4和R5并焊接電流環，可以測量初級諧振電流和次級交流電流；通過J5 - J36等測試點，可以監測MOSFET的柵極驅動信號、FAN7688的各個引腳信號等。這些測試點的設計使得工程師能夠深入了解FAN7688的工作原理和評估板的性能。

三、評估板規格參數

評估板的設計和優化考慮了多個參數，包括輸入電壓范圍（300 V - 450 V DC）、輸出電壓（12.4 V - 12.6 V DC）、輸出電流（0 A - 20 A）、諧振頻率（105 kHz）、PWM頻率（250 kHz）等。此外，還給出了不同負載條件下的效率、啟動時間、保持時間等性能指標。這些參數為工程師在設計和評估電源系統時提供了重要的參考依據。

四、測試流程

4.1 安全注意事項

由于評估板工作在高電壓DC電源下，輸入大容量電容器存儲了大量電荷，因此在測試過程中必須嚴格遵守安全操作規程。例如，在測試前確保工作表面清潔，無導電材料；在DC電源電壓存在時，切勿在評估板上進行探測或移動探頭；在斷開測試引線前，確保輸入和輸出電容器完全放電。

4.2 上電和斷電流程

上電流程包括連接電子負載、數字電壓表、電阻分流器、電源等設備，并按照特定的順序開啟電源和負載。斷電流程則需要確保電子負載處于開啟狀態并設置為至少5 A的恒定電流，然后依次斷開400 V DC電源、12 V偏置電源和電子負載，最后驗證輸出電壓和輸入電壓是否為0 V。嚴格按照這些流程操作可以確保測試的安全性和準確性。

五、變壓器規格

5.1 LLC功率變壓器

評估板采用了Wurth Elektronik的760895731 LLC變壓器，該變壓器采用分體式骨架，將諧振電感（漏電感）和磁化電感集成到一個磁性元件中。其核心參數包括ETD44磁芯、16引腳TH骨架、475 μH的磁化電感（±10%）和100 μH的漏電感（±10%）。

5.2 電流感測變壓器

電流感測變壓器采用了Renco Electronics的RL - 10950，這是一款定制設計的變壓器，具有2500 V的初級到次級隔離，適用于FAN7688這種二次側控制器的應用。其核心參數包括EP7磁芯、16引腳TH骨架、2.75 mH的磁化電感（+40% / -20%）和1:50的匝數比。

六、測試數據

6.1 啟動性能

在400 V DC輸入下，評估板在滿載和最小負載條件下均能實現單調軟啟動，啟動時間分別為53 ms和55 ms。啟動過程中，初級漏極電流無過沖現象，頻率從初始的224 kHz（PWM模式）平滑過渡到穩態頻率105 kHz（PFM模式）。

6.2 保持時間

在滿載情況下，從輸入電壓移除到輸出電壓失去調節的保持時間為77 ms。在輸入電壓下降過程中，變換器的工作從諧振以上過渡到諧振以下，FAN7688的ICS電壓閾值相應地從1.2 V（諧振以上）轉移到1.45 V（諧振以下），從而增加了可用的保持時間。

6.3 穩態運行

在不同的輸入電壓和負載條件下，評估板的開關頻率會發生相應的變化。在PWM突發模式下，開關頻率為240 kHz；在諧振時，開關頻率為105 kHz；在諧振以下和以上時，開關頻率分別為80 kHz和136 kHz。在負載電流從250 mA到5 A的階躍變化時，評估板能夠平滑地從PWM突發模式過渡到PFM模式。

6.4 零電壓開關（ZVS）

在傳統PWM模式下，ZVS在兩個邊緣都會丟失。但FAN7688獨特的突發模式PWM模式允許部分ZVS（僅關斷）。在PFM模式下，從400 V DC輸入、1 A - 20 A負載范圍內，評估板能夠實現全ZVS，并且在300 V DC輸入時也能完全保留ZVS。

6.5 SR性能

在負載階躍變化時，評估板的SR能夠平滑地從SHRINK模式過渡到全SR ENABLE模式。在0 A到20 A的電流負載階躍中，輸出電壓偏差約為50 mV；在20 A到0 A的電流負載階躍中，輸出電壓偏差小于50 mV。

6.6 PRDT和SRDT時序

通過選擇合適的電阻R28（43.2 kΩ）和電容C23（470 pF），可以設置PRDT（350 ns）和SRDT（225 ns）。在PFM和PWM模式下，實際測量的死區時間與預期值相符，并且在PWM模式下存在“死區時間加倍”功能，以保留輕載PWM操作期間的“部分ZVS”。

6.7 保護功能

評估板具備多種保護功能，包括過載保護（OLP）、輸出短路保護（OSP）、過流保護（OCP）等。當滿足相應的觸發條件時，保護功能能夠及時啟動，確保評估板的安全運行。

6.8 效率

在400 V DC輸入下，評估板的峰值效率為97%，在50 W - 250 W的負載范圍內效率大于95%。評估板在20%最大負載功率點附近進行了優化，SR在10%負載時以SHRINK模式啟用，在30%負載時完全啟用。

6.9 輸出電壓負載調節

在400 V DC輸入下，輸出電壓在不同負載條件下的調節率為0.25%，表明評估板具有良好的輸出電壓穩定性。

6.10 控制到輸出測量

通過測量控制到輸出的波特圖，得到了不同負載和輸入條件下的相位裕度、增益裕度和帶寬。這些參數為工程師設計反饋控制回路提供了重要的參考。

6.11 熱成像

熱成像結果顯示，在滿載和不同輸入電壓條件下，評估板的最高溫度出現在LLC變壓器的次級繞組和R5（用于插入電流環測量交流輸出電流的0 Ω跳線）。在接近或超過20 A負載長時間使用時，需要使用風扇進行散熱。

七、總結

Fairchild的FAN7688 LLC諧振評估板FEBFAN7688_I00250A為工程師提供了一個全面的測試和開發平臺，展示了FAN7688控制器的卓越性能和豐富功能。通過對評估板的詳細測試和分析，我們可以看到它在啟動性能、穩態運行、效率、保護功能等方面都表現出色。同時，評估板的設計也考慮了工程師在實際應用中的需求，提供了豐富的測試點和易于操作的接口。對于從事電源設計的工程師來說，這款評估板是一個值得深入研究和應用的工具。

你在使用類似評估板進行電源設計時，是否也遇到過一些挑戰？你是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。