引言

隨著越來越多的電子產品進入人們的生活，人類對電能的消耗也越來越大。世界銀行最新的報告顯示，全球人均電能消費已經從1,200千瓦時攀升到3,200千瓦時。而在這“巨額”消費中，實際上有相當一部分是被浪費掉了——根據測算，家用電器的總能耗中有12%~18%是被待機功耗這個“黑洞”吞噬掉了，如果將電子設備待機時消耗的電能加在一起，相當于50個大型電廠的年發電量。

為了有效控制待機功耗的增長，各國都制訂了日益嚴苛的能耗標準。如美國能源部DoE標準規定：5W~49W的電器設備無負載時的待機功耗要低于0.1W，50W以上的設備的待機功耗要小于0.21W。歐盟能耗標準COC Tier 2對待機功耗的要求更為嚴格，它對于5W~49W和50W以上電器的待機功耗上限分別是0.075W和0.15W。這無疑給電子設計工程師的工作帶來了更大的挑戰。

為了應對這一挑戰，應用創新性的電源管理技術和產品，顯然是一條“捷徑”。Texas Instruments（TI）公司最新推出的LLC諧振控制器UCC256301，就是電子工程師們在設計AC/DC應用時不可錯過的一個新選擇。

低待機功耗 :超乎想象

UCC256301在穩壓狀態下可以實現小于40mW的待機功耗，在10%的負載下效率高達90%以上，可以幫助電子產品輕松滿足CoC Tier 2和DoE 6級所規定的能效標準。

之所以UCC256301在待機功耗上有如此出色的表現，主要是由于該器件基于一種全新的突發（Burst）工作模式。工作在這種模式下，如果變換器輸出的功率減小，控制環路的輸出就會降低，當環路輸出低到系統設定的關斷閾值時，器件里面的MOS管就會徹底關斷，使得能量不會從輸入端流到輸出端，輸出電壓就會隨之下降。而當輸出電壓下降之后，控制環路的輸出又開始上升，當環路的輸出值超過開通閾值的時候，變換器重新開始正常工作，輸出電壓隨之上升。由于開通閾值遠遠高于關斷閾值，所以變換器在輕載時就會有很長的一段時間處于不工作的狀態，不會有功率消耗，因此也就可以實現更低的待機功耗。

圖1，UCC256301產品及電路圖

這一工作原理看似簡單，實際上其中包含著一項TI獨有的專利控制算法——混合滯回控制技術（HHC）。傳統的LLC控制器采用的是直接頻率控制（DFC），這種調制方式在輸出功率較小時，開關頻率會增加到非常高，這樣一來與開關頻率相關的開關損耗、變壓器磁極損耗以及驅動損耗，都會大幅度地增加，很難確保在輕負載時獲得高效率和低功耗。而HHC恰恰是顛覆了以往傳統的控制技術，讓“不可能”的事成為現實。本文就帶大家見識一下TI的這一“獨門秘笈”。

關鍵的瞬態響應

在深入了解HHC技術之前，我們先來關注一個電源轉換過程中的重要指標——瞬態響應。瞬態響應描述的是當轉換器輸出負載電流發生突發變化時電源系統的響應特性，也就是轉化器對瞬態負載變化的快速反應能力。

圖2展示了一個典型的電源轉換器瞬態響應過程。可以看到，當負載電流突然增加時，由于轉換器控制環路無法對負載的變化做出及時響應，所以輸出電壓會有一個明顯的下跌，這是由于輸出電容要對負載進行額外的充電。之后，控制環路開始做出反應，經過一段穩定時間（settling time）后將輸出電壓重新穩定到設置點。同樣的，在負載電流突然下降時，由于控制環路響應的滯后，會讓輸出電容累積更多的電量，造成一段時間內輸出電壓的顯著上拉。因此可以看到，瞬態響應不佳，會讓輸出電壓產生一個電壓偏差（voltage deviation），而且重新穩壓也需要一個過程，在某些情況下這會導致設備的失控甚至關機，這顯然是電源系統設計的大忌。

圖2，電源轉換器瞬態響應示意圖

由此我們也可以看出，瞬態響應特性的優劣與電源轉換器控制環路響應特性直接相關。控制環路帶寬越大，響應時間越短，能夠讓轉換器對負載的突發狀況作出更快的反應。同時，控制環路的相位裕度（phase margin）會直接影響到穩定時間的長短，相位裕度不足會導致欠阻尼響應，在輸出電壓上產生振鈴，所以通常情況下，推薦的控制環路相位裕度不能小于45°。此外，為了減小電壓偏差，在系統設計時還會考慮采用大容值的輸出電容，當然這也意味著更大的系統體積和更高的物料成本。

傳統的環路控制方法是直接頻率控制（DFC），它的控制策略是由補償模塊反饋產生一個門驅動信號合適的頻率，通過開關頻率的調整去調節頻率調制模塊的增益，進而獲得所需的輸出電壓。這種方法歷史悠久，但是由于它的補償設計十分困難，通常需要有復雜的計算模型和反復迭代實驗才能獲得滿意的效果。這對工程師來說是很大的挑戰。因此，找到一種既簡單又高效的環路控制方法就成了電源管理技術創新的焦點。

圖3，傳統的DFC直接頻率控制電路

創新的混合滯回控制技術

為此，混合滯回控制技術（HHC）應運而生，這是一種結合了頻率控制和充電控制的獨特方案。根據測試數據，采用HHC技術的UCC256301瞬態響應速度提升了10倍。

HHC技術的工作原理見圖4。共振電容電壓V_CR從C1和C2組成的電容分壓器中采樣。V_CR與兩個由門驅動信號控制的電流源相連。當V_CR節點上輸入或輸出電流時，一個三角形的補償斜波疊加在這個節點電壓上。

圖4，HHC方案系統框圖

我們將V_CR節點上正常模式下的電壓定義為V_CM，將控制環路補償輸出的補償電壓定義為V_COMP，由這兩個值確定兩個開關邏輯閾值：V_THH和V_THL，它們的計算公式如下：

V_CR節點上電壓會與上述兩個邏輯閾值做比較，當V_CR電壓高于V_THH時，高邊的開關關閉，當V_CR電壓低于V_THL時，低側的開關關閉。HO和LO開關觸發邊沿就是由這個自適應電路來控制。

圖5，HHC的控制策略

與傳統的DFC方法相比，HHC的控制策略使用環路輸出的控制量直接來控制變換器的輸入功率，將由控制信號到輸出電壓的傳遞函數簡化成一階系統，這讓補償設計變得非常簡單，同時讓帶寬大幅度提升。此外，控制效果直接與諧振回路輸入電流相關，它具有固有的內在前饋，可以獲得更出色的輸入線瞬態響應。

新技術帶來的改變

測試結果驗證了HHC環路控制方案的“功力”。采用傳統DFC技術的LLC轉換器，帶寬為1.75kHz，具有60°的相位裕度。從圖6a中可以看到，當轉換器相位裕度較好時，帶寬卻表現不佳。而采用HHC技術的LLC轉化器，則可實現高達6kHz的帶寬，相位裕度也達到了50°，能夠滿足快速瞬態響應的需要（見圖6b）。

圖6，采用DFC和HHC方法的轉換器帶寬和相位裕度比較

從瞬態響應的實際效果來看，圖7a中顯示采用DFC技術的LLC轉換器，當輸出電流突然增加時，輸出電壓出現了一個明顯的下降，輸出電壓最大偏差超過了20%，而且需要2ms才能重新恢復到穩壓狀態。與之相對照，圖7b中采用HHC技術的LLC轉化器的瞬態響應能力顯著提升，當負載發生從零到滿載的瞬態突變，最大的輸出電壓偏差僅為1.25%，穩定時間也只需要200μs。

圖7，采用DFC和HHC方法的轉換器瞬態響應性能比較

HHC技術為LLC轉換器帶來的另外一個優化就是，不再需要大容值的輸出電容，所以與DFC相比在最終電源系統外形尺寸和BOM優化上也能夠更勝一籌。

更低待機功耗，從UCC256301開始

綜上所述，正是由于采用了創新的HHC環路控制技術，TI最新推出的LLC控制器UCC256301實現了更為出眾的瞬態響應特性，有了這樣的瞬態響應能力UCC256301得以在深度突發模式下工作，進而優化整個電源系統的待機功耗，讓開發者能夠輕松應對日益嚴苛的AC/DC應用能效標準的挑戰。這就是UCC256301“更省電”的秘訣所在。

因此UCC256301可以廣泛適用于包括數字電視、游戲適配器、臺式電腦和筆記本電腦適配器，以及電動工具電池充電器在內的產品領域。實際設計中，工程師還可將UCC256301與TI功率因數校正(PFC)控制器和同步整流(SR)控制器配對使用，以提高系統效率。我們可以來看看以下幾個參考設計實例。

圖8所示的參考設計是一個24V直流輸出、額定功率480W、峰值功率720W的AC/DC工業電源參考設計，可在85~265 VAC寬電壓輸入范圍內提供電能轉換傳輸。該設計包括一個前端的PFC電路和一個高可靠的LLC級——LLC控制器采用的就是UCC256301——在寬負載范圍內的效率能夠達到93.5%以上，加之LLC控制器具備內置保護功能，使設計更加可靠，可在沒有任何強制冷卻機制的條件下工作。（點擊獲取本參考設計詳細資料）

圖8，24V直流輸出、額定功率480W的AC/DC工業電源參考設計

圖9所示是一個具有出色效率和瞬態響應表現的AC/DC轉化器參考設計，在單層PCB上可支持85~265 VAC寬輸入范圍，以及12V/5V/3.3V的多DC電壓輸出，最高功率可達450W，適用于游戲機、臺式機或其它AC/DC PSU。  該設計的核心器件包括前端PFC級的控制器UCC28180、LLC級控制器UCC256301、同步整流控制器UCC24612，以及低導通電阻MOSFET，效率達到93%，能效表現達到了80Plus鉑金級的水平。（點擊了解本參考設計詳細資料）

圖9，效率93%、最高功率450W的AC/DC電源參考設計

除了上述的參考設計，為了能夠讓開發者能夠盡快應用UCC256301開展設計工作，TI還提供了一系列設計資源支持，如：UCC256301的評估板模塊、在線設計工具、設計應用指南，以及電源管理在線論壇等。

總之，UCC256301 LLC控制器是一顆直戳AC/DC電源設計“痛點”的產品，其低至40mW的優異待機功耗表現、比傳統控制方式快10倍的瞬態響應速度、更大的BOM和系統體積優化的空間、高集成度和高可靠性的功能配置、完整的設計資源支持，讓人忍不住想盡快上手一試。想必它也不會讓你失望，令你未來的電源設計如虎添翼。

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