CM6900 Application Note A-001A CM6900 BICMOS Resonant Controller Michael Lee Introduction 近年來，由於能源短缺的問題愈來愈嚴重，同時新興工業國家對能源的需 求大增，在這樣的情形下，節能變成一個很重要的課題，因此美國能源部與 環境保護對於電源產品開始有效率的要求，從空載損耗，再由 20%~100%的 負載下效率要求 80%以上，有了許多指標性的影響，傳統的脈波調變(PWM) 的切換式電源供應器對於如此的要求，己經是捉襟見肘。 因此共振式轉換器的電源供應器開始變成主流，但是適合共振式轉換器 的控制 IC 並不多，而且都是以高壓製程為主的設計，虹冠針對共振式電源供 應器的需求加以改善，解決現有國外產品的缺失，開發出 CM6900 共振式控 制 IC，此 IC 所有的功能，與目前的國外產品相較來說，改進許多，不再是 Me Too 的產品，以下會依據 CM6900 的功能做說明。 Champion Part Max Duty Cycle Vref (V) UVLO Turn-On UVLO Turn-Off Hysteri (V) CM6900 50% 7.5V 13V 10V 3V 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 1 CM6900 Application Note A-001A 功能敍述 功能優點 1. 最大工作電壓 10V~20V 1. 改善共振轉換器的缺點 2. UVLO：13V，遲滯=3V 2. 良好之軟起動 3. 工作電流：1mA 3. 內建同步整流驅動 4. 參考電壓：7.5V 4. Dead-Time Easy Control 5. FM Hyper PWM Control (Patent) 6. OVP 功能 5. 振盪頻率 6. 一次側驅動 7. OCP Auto-recovery 8. Shot-Down 功能 7. 二次側同步整流驅動 8. 軟啟動 9. FM 控制 10. PWM 控制 CM6900 Pin Configuration 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 2 CM6900 Application Note A-001A Block Diagram FEAO VCC U V L O /R E F VFB VREF GND + V To I - 2 .5 V RSET D _ IN - + OVP 1 .2 5 V - 2 .9 V + D _ IN + DEAO + P R ID R V + VCC P R ID R V B L o g ic SRDRV CSS + SHDN 1V SRDRVB IL IM + IL im OSC RT CT C LK - 1V 一、 工作電壓 CM6900 為 BICMOS 製程，最高工作電壓為 20V，啟動電壓＝13V， 遲滯為 3V，建議工作電壓設計在啟動時要大於 13V，啟動後，只要能維 持在 11~15V 之間便可以正常工作，當 VCC 電壓低於 10V 後，CM6900 會 Lock 住，只要 VCC 恢復至 13V 以上，才會回到正常工作。CM6900 內 建參考電壓 7.5V，可以供應外接電路應用。如果有需要可以利用 Stand-by 供應 CM6900 之電源，所供應的電源如果不穩定可以外加如圖二之穩壓電 路。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 3 CM6900 Application Note A-001A Supply current 1mA Turn ON Turn OFF OFF ON Supply Voltage(V) 圖一 工作電壓與遲滯 +VDC CM6900 + ZENER 圖二 2007/05/28 Preliminary + 10 8 12 7 3 6 2 5 外加穩壓電路 Champion Microelectronic Corporation Page 4 CM6900 Application Note A-001A 二、 工作頻率 CM6900 為共振式控制 IC，主要的控制方式為變頻式(FM mode)，所 以在設計上必需設定兩個工作頻率“最低工作頻率”、“最高工作頻率”。最 低工作頻率至最高頻率的設定，是依據共振式轉換器的負載特性曲線來決 定，一般而言，會設計在 40K~200K 左右。 12 10 VR 8 6 4 2 0 0.5 1 1.5 Fsw Fmin 2 2.5 5 x 10 Fmax 圖三 SRC 之負載曲線圖 以圖三 SRC 之負載曲線圖來看，最低切換頻率不可低於串聯共振點約 50Khz，最高切換頻率主要是依據輕載條件作限制，CM6900 內建變頻+脈波 調變，設計時在一定輕載下可以採用變頻+脈波調變控制模式，降低切換頻率 提高負載穩壓率，所以最高切換頻率可以設計在 150Khz-200Khz 之間。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 5 CM6900 Application Note A-001A 60 50 Vo 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Fsw 1.2 Fmin 1.4 1.6 2 5 Fmax 圖四 1.8 x 10 LLC 之負載曲線圖 以圖四 LLC 之負載曲線圖來看，最低切換頻率要設計於電壓增益大於 1 之上不可低於第二次串聯共振點約 50Khz，最高切換頻率主要是依據輕載條 件作限制，CM6900 內建變頻+脈波調變，設計時，一定輕載下可以採用變頻 +脈波調變控制模式，降低切換頻率提高負載穩壓率，所以最高切換頻率可以 設計在 150Khz-200Khz 之間。 3.0V VCT 1.2V 0V 圖五 2007/05/28 Preliminary OSC 波形 Champion Microelectronic Corporation Page 6 CM6900 Application Note A-001A VREF RT/CT 2.5mA 圖六 OSC 電路圖 A． Dead-Time 設計 考慮 CM6900 放置於二次側之設計，雖然省去了 Photo Couple 與 TL431，但是要驅動一次側功率晶體時要加入脈衝變壓器，因此考慮脈衝 變壓器的漏感與驅動能力的問題以及功率晶體的特性。所以在 IC 的 Dead-Time 設計上會比一般直接驅動的高壓製程之控制 IC 的 Dead-time 大，以 CM6900 的 Dead-Time 會建議>400ns，實際的值必須觀察一次側 功率晶體上下橋之間的 Dead-Time 時間為主。 Tdeadtime = 2.125V/2.5mA * CT = 850 * CT CT=Tdeadtime/850 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 7 CM6900 Application Note A-001A B． 最低工作頻率 （振盪頻率為工作頻率 2 倍） 2Fmin= Fosc = 1 / (Tramp + Tdeadtime) Tramp = RT * CT * ln((VREF -1.25)/(VREF -3)) C． 最高工作頻率 2Fmax= Fosc = 1 / (Tramp + Tdeadtime) Tramp = RT * CT * ln((VREF + Ichg*RT -1.25)/(VREF + Ichg*RT -3)) Ichg = 4*(FEAO-VBE)/Rset=20V/Rset ⎛⎜ Tramp ⎟⎞ ⎤ ⎡ ⎢ ⎥ Rt ⋅Ct ⎠ ⋅ Rt⎦ 20⋅ Rt − 20⋅ e⎝ ⎣ Rset := ⎛⎜ Tramp ⎟⎞ Rt ⋅Ct ⎠ 4.5⋅ e⎝ − 6.25 三、驅動信號 CM6900 除一次側的驅動信號之外同時內建同步整流驅動信號，因此一、 二次測之間的驅動波型必需保留一定的 Dead-Time，以避免同步整流開關將 輸出電壓的能量，回灌至一次側，造成沒有 ZVS 的現象，也造成效率下降。 以 CM6900 設計控制 SRC 之共振式轉換器 CM6900 的一、二次測之間驅動可 以直接外接 Totem pole 去推動功率晶體。如果 CM6900 要控制 LLC 之共振式 轉換器，由於 LLC 是操作在串聯共振點的左邊(無法使用 SR 之驅動信號直接 驅動，所以要外接電流偵測電路，一、二次測之間的驅動波型在 SR turn-off 之間的 Dead-Time 必須是共振電流結束前 SR 就要 TURN OFF，以避免同步整 流開關將輸出電壓的能量，回灌至一次側，造成沒有 ZVS 的現象，也造成效 率下降。圖七為一、二次測驅動信號之時序圖 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 8 CM6900 Application Note A-001A D e a d T im e P R ID R V B P R ID R V D e la y T im e D e la y T im e S R D R V B S R D R V 圖七 一、二次側驅動信號之時序圖 由上圖可以看到，一次側驅動與二次側 SR 驅動要有一個 Dead-Time，一 般由 MOSFET 的特性來決定，但是考量到簡單好用，所以 CM6900 內定為 200ns~500ns 之間。 一次側主要是經由脈衝變壓器去驅動半橋或全橋的功率晶體，考慮經由脈 衝變壓器驅動的能力與功率晶體的特性，所以上下橋功率晶體之驅動信號必 須要有一定的 Dead-Time，建議設計時考慮>400ns，實際的值必須觀察一次 側功率晶體上下橋之間的 Dead-Time 時間為主。 下圖為典型的半橋電路 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 9 CM6900 Application Note A-001A +VDC VCC 5 6 1 3 Vo 13 14 2 2 7 15 8 16 + + VCC PRIDRV PRIDRVB VCC SRDRV SRDRVB VCC 圖八 典型的半橋電路一、二次側驅動電路圖 四、軟啟動與停止 CM6900 改善了傳統軟啟動的問題，傳統的方式都是採用開迴路的軟啟 動，因此輸出的上升時間與負載變動，控制器都無法控制，所以輸出上升時 間會隨負載有很大的差異，同時在上升時間時，如果有負載變化會造成負斜 率的現象，也會在輸出產生 Overshoot 的現象。 CM6900 特別針對這三個問題改變軟啟動的方式，採用閉迴路的方式來做 軟啟動，下圖為時序圖（也就是說輸出的上升時間都是由軟啟動以閉迴路的 方式進行，不受負載影響，同時也不會有 Overshoot 的問題，也改善了上升 時發生負斜率的現象）。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 10 CM6900 Application Note A-001A VCC SD Control Vcss 3.75V 1.25V 1V Feao in-2.5V Vo Driv 圖九 2007/05/28 Preliminary Css 電壓與輸出之時序圖 Champion Microelectronic Corporation Page 11 CM6900 Application Note A-001A FEAO FEB 2.5V VCC VCC 7.5uA 1.25V 1V Shut-down 圖十 軟啟動與停止之電路圖 在 CM6900 的設計上，特別針對 Soft-Start 的動作，改善了現有產品的缺 點，同時現有產品會造成半橋的架構一次測的開關容易出現短路的現象，所 以在應用上利用 CSS PIN 腳利用一小開關將 CSS 接地，當 Shut-down 由 H->L 後，由 DATA Sheet 中看出 Css 由 7.5uA 做定電流充電利 Q= C．V=I．T 來 設計參考電壓 2.5V 的上升時間，此為輸出上升時間。 因為 CM6900 在 Css 電壓至 1V 時，PWM 才會動作，此時 PWM 的 DUTY 會由小變大，頻率也由最高頻往低頻做啟動，因此 Css 到 1.25V 時，參考電 壓才由 0V→2.5V，隨 Css 上升，因此參考電壓 2.5V 的上升時間，所以整個 Soft-Start 時間→T=2.5V．C/7.5uA 也就是說 Css 上升至 1.25+2.5V 的時間分 成 1.25V 跟 2.5V 兩段，1.25V 為 Delay Time 2.5V 才是真正的上升時間。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 12 CM6900 Application Note A-001A 五、FM+PWM 控制 在共振式轉換式的特性中，以目前業界習慣使用的串聯共振式轉換器來 說，無論是用 SRC 或 LLC 的兩種操作區間，都有一個共同的問題，負載穩壓 差，尤其在空載時更是嚴重，因此 CM6900 特別針對此問題，採用了 FM+PWM 的控制方法來解決穩壓率差的現象。 頻率操作區域 負載加重 圖十一 負載加重 LLC/SRC 的負載曲線圖 由圖十一可以看出在負載輕時，切換頻率會愈高，同時輸出會上升，對輕 載或空載時，切換頻率愈高效率會愈差。因此 CM6900 提供了 FM+PWM 的控 制方式，下圖為控制之示意圖。圖十二可以看出利用 FM+PWM 的控制方式， 當輕載時切換頻率會變高，利用 DUTY 控制的 OTA 將同相輸入 PIN 之電位設 計在輕載時，Feao 的電位，將反相輸入 PIN 之電位接與 Feao，當負載由重載 往輕載變，如果 Feao 的輸出與同相輸入 PIN 之電位相同時，此時負載繼續往 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 13 CM6900 Application Note A-001A 更輕載變化時，整個控制變頻的方式會只有少許變化，主要以 PWM 的方式來 控制達到輸出穩壓的目的。 Feao 5V 4.5V D(gm)IN+ =4.45V Load 100% 20% 5% Deao 3.0V 1.2V 圖十二 2007/05/28 Preliminary FM+PWM 控制示意圖 Champion Microelectronic Corporation Page 14 CM6900 Application Note A-001A FM+PWM 控制可以有下列幾種應用方式 (1)第一種應用為 High Gain 的 PWM 控制，當決定 D-IN+的值，就是 決定了 FM 的最高控制頻率，當 FEAO 達到 D-IN+的設定值時，切換頻率 幾乎不會再增加，當負載持續變輕時，都由 PWM 的 Duty 大小來穩壓， 如果不希望 PWM 的 Gain 太高可以並一電阻對地（240K~500K）。 圖十三 2007/05/28 Preliminary FM+PWM 接線圖應用(1) Champion Microelectronic Corporation Page 15 CM6900 Application Note A-001A (2)第二種應用為共振式轉換器的應用上有一個 ZVS 的優點，無論是 LLC 或 SRC，當切換頻率過高或 Duty 太小時，ZVS 的就會喪失，因此在 輕載時，如果希望能維持 ZVS 條件又可以不要太高的切換頻率，就可以把 Duty 控制的 Gain 下降，這樣的方式就是降低 DEAO 的 Gain。 在此 low Gain 的應用上，主要是多加了兩個電阻，Ri，Rf。Ri ＞10Rset， Rf 為 Gain 所決定，以下舉例說明。 Fsw=45Khz~200Khz FEAO=0~5.5V(變頻範圍 0.5V~5.5V) Vrset=0~5V Df/Dv =(200K-45K)/5V = 31Khz/V 假設共振式轉換器的輕載條件，希望 25%~10%之間能維持 ZVS 條 件，且切換頻率不希望太高。假設 25%Load 時，切換頻率為 150KHz， 當要設定在 150KHz 時，進入 PWM+FM 控制時，要先求出 D-IN+的設定 點。 FEAO=(150K-45K)/31KHZ/V+0.5V = 3.39V+0.5V Vrset=3.39V 所以 D-IN+要設定為 3.39V。由 CM6900 的 DATA Sheet 得知，RT/CT 的 Ramp 大小為 1.2~3V 之間，考慮能控制 Duty0%~50%，表示 DEAO 的輸出變化要大於 1.8V，所以設計時取 2V。假設 Gain 取 10 來設計 Vrset-Din+=2v/10=0.2V Iri=0.2V/(10xRset) Rf=(Din+-1.2V)/Iri 所以當進入 FM+PWM 時，FM 控制在 150KHz 開始 Duty Control，到 最低時，最高切換頻率為 157KHz。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 16 CM6900 Application Note A-001A 圖十四 2007/05/28 Preliminary FM+PWM 接線圖應用(2) Champion Microelectronic Corporation Page 17 CM6900 Application Note A-001A (3)第三種應用對系統市來說最低 Gain 的方式此種方式可以說是 Feao 最大時，PWM 的控制才接手。在設計此種應用時要考慮負載穩壓率的規 格與雜訊干擾的問題。 圖十五 2007/05/28 Preliminary FM+PWM 接線圖應用(3) Champion Microelectronic Corporation Page 18 CM6900 Application Note A-001A 八、保護與自動回復 CM6900 加入了過電流保護之功能，在正常操作下 Css pin 腳會充電至 5.5V+VBE，當 VFB 腳因過電壓超過 2.93V 或是 Ilm 腳的電呀超過 1V 時，驅 動信號會立即變 LOW 電位，同時 Css 會以 3.3Ua 做放電，當 Css 低於 0.9V， Css 會以 7.5Ua 開始充電，當 Css 電壓達到 1V 時，輸出驅動信號重新輸出， 重新做軟啟動來控制，如果過電流或過電壓的條件依然在，輸出驅動信號會 立即變 low，但是 Css 會依然充電至 5V，然後經 3.3Ua 做放電，整個保護動 作會重復直到 OCP 或 OVP 不再發生。 圖十六 OVP/OCP 時序圖 下圖為 OCP 之接線圖，在電路應用上考慮 1V 的保護點較低，容易被雜訊 干擾同時為了過電流保護的精確考量下，建議將一次側的電流感知放大至 10V 以上，再經分壓來決定保護點之大小。 2007/05/28 Preliminary Champion Microelectronic Corporation Page 19 CM6900 Application Note A-001A +VDC 1 Vo 13 14 2 15 + + 16 3 1 CM6900 2 4 CT ILM HsinChu Headquarter Sales & Marketing 5F, No. 11, Park Avenue II, Science-Based Industrial Park, HsinChu City, Taiwan T E L : +886-3-567 9979 F A X : +886-3-567 9909 7F-6, No.32, Sec. 1, Chenggong Rd., Nangang District, Taipei City 115, Taiwan, R.O.C. 2007/05/28 Preliminary T E L : +886-2-2788 0558 F A X : +886-2-2788 2985 Champion Microelectronic Corporation Page 20