NXP 數位電源系列 - 如何使用 DSC 實現 PSFB Peak Current 控制 (2/3) - DSC 實現的 PSFB 工作方式與功能說明

先前的文章介紹了 DSC 是如何實現峰值電流模式控制 PSFB 功能,DSC 實現的現峰值電流模式控制 PSFB 具備了以下優勢 :
 
  • 全橋 PWM 的相位移在比較器運作的基礎上,還可以限制最大的相移角度。
  • 全橋 PWM 限制的相位移角度可以隨時靈活修改,最大可以到 180 度 ( 全開 ),最低可以到 0 度 ( 全關 )。
  • 內部 DAC 可以自動產生靈活的負斜率下斜坡參考訊號。
  • 能夠內部偵測目前 PWM 運作的相移角度。
  • 全橋 PWM 與 SR PWM 都可以設置可隨 PWM 周期調整的 Deadtime
  • SR 控制波形可以於 PWM 固定位置在各模式間切換。
 
首先說明 PSFB 的全橋 PWM 的工作方式,全橋 PWM 是由兩組含 Deadtime 並呈 50% Duty 互補的 PWM 半橋構成。其中一組半橋作為固定臂,在週期當中的開關時間是固定不變的。另一組半橋則是相移臂,隨著負載的變動調整與固定臂之間的相位差,變壓器的能量傳輸區間位於於兩組 半橋對角 MOSFET 導通的交疊區。
 
在 DSC 的 PSFB 實現上,相移臂由 SR 正反器的輸出訊號 Q 透過 XBAR 連接至 eflexPWM 模組,產生上下互補的 PWM 訊號來驅動 QC 與 QD。因此 QC 與 QD 的動作實際上是由 SR 正反器的輸入控制的。



 
透過 DSC 實現的 PSFB 可以具備各種功能以應對各種情況,下圖中說明了 DSC 實現的 PSFB 全橋 PWM 的六種工作情況。訊號說明如下:
  • QA/QB : 固定臂上臂與下臂的驅動訊號。
  • QC/QD : 相移臂上臂與下臂的驅動訊號。
  • Q : SR 正反器的輸出訊號。
  • QC/QD Limiter : 由 eflexPWM 輸出的觸發訊號,與比較器訊號一起控制 SR 正反器。
  • QA/QB CMP : 對應 QA 與 QB 工作區間的比較器觸發訊號。
  • CMP Window : 用於遮罩開關雜訊的比較器 Window 訊號。
  • Input Current : 電流採樣訊號。
  • DAC_OUT : 由內部 DAC 的自動訊號產生功能輸出,提供比較器進行訊號比對的參考訊號。

 
以下是各個區間的動作方式與功能說明。
  1. 相位移量為 0 的無能量輸出狀態 :
    在這個情況下固定臂與相移臂完全相同,因此不會有能量輸出。由 DSC 上實現的 PSFB,可以透過內部的 Limiter 訊號將相移臂最大的相位移量限制到 0 來實現。
  2. 輕載下使用的相移控制模式 :
    由於電流採樣需要考慮整段負載的運作範圍來設計,在小電流時的採樣經常不盡理想,很容易受到雜訊或 Layout 的影響,因此在電流小到一定程度時會難以用來控制使用,而需要轉換成 Burst mode。而透過內部 Limiter 訊號可以在比較器未觸發時調整相移臂的相移量,提供輕載下更精細的輸出控制。同時將 DAC 最低輸出設定在避開雜訊的電流,也可以有效的避免誤動作。

  3. 相移模式過渡到電流控制模式 :
    當我們將相移量增加到電流開始觸發到 DAC 的最小輸出時,比較器開始提供觸發訊號。比較器訊號與 Limiter 訊號是看誰先觸發 PWM 轉換,當比較器的訊號先出現時,時即使繼續增加內部 Limiter 訊號的相移量,相移臂也會被比較器控制在比較器訊號發生的位置,也就是進入了峰值電流控制模式中。

  4. 電流控制模式 - DAC 輸出被限制在最小值的情況
    DAC 透過設置 MAX、MIN、STEP 三個數值來控制負斜率使用的下斜坡波形。其中 MIN 是最低的 DAC 輸出,STEP 則是控制斜坡的斜率,以上兩個數值一般在控制中不做更動。MAX 值代表 DAC 開始往下的起點,也就是下圖中的 DAC VAL,電壓環路的輸出會用來控制 MAX 值得大小,以調整變壓器的電流。當週期未結束前下斜坡到達 MIN 時,DAC 輸出會停留在 MIN 值上。

  5. 電流控制模式 - DAC 在一般工作模式下
    在一般工作情形下,內部 Limiter 訊號被設置在可以允許的最大相移角度上,透過 DAC 產生的下斜坡波形與比較器控制變壓器的電流大小。
  6. 當 DAC 設置超過採樣的電流訊號,或是電流採樣訊號因故消失
    當 DAC 設置的輸出過高,或是電流採樣訊號因故消失導致比較器沒有訊號輸出時,PSFB 的波形仍會被限制在可以允許的最大相移角度上。如此一來可以避免全橋開關波形異常,或是電流過大導致 MOSFET 損壞。DSC 也可以透過其他途徑例如輸出電壓或是輸出電流來檢測出異常進而使電源進入保護狀態。
 
下一篇會繼續介紹以 DSC 產生同步整流 MOSFET 驅動波形、以及偵測當前 PSFB 相位移角度的方式。
 
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