TEA2016 介绍之 LLC 深入浅出

一、TEA2016 介绍

 TEA2016 是一款用于高效谐振电源的可数字配置的 LLC+PFC 控制器。它包含了 LLC 控制器功能和在非连续模式（DCM）和准谐振模式（QR）下工作的 PFC 控制器。可以用 TEA2016 轻松设计一个完整的谐振电源，具有非常少的器件数，此外，TEA2016 采用的是较小的 SO16 封装，便于 PCB 的布局。

TEA2016 的设计是基于高速可配置的数字核，确保了非常可靠的实时性能。在电源开发过程中，LLC 和 PFC 控制器的许多操作和保护设定都可通过 Ringo 进行设置和调整，以满足特定的应用要求。设定的参数可以添加额外的加密操作以保证安全性，防止未经授权的操作来进行参数的读取和复制。

与传统的谐振拓扑相比，TEA2016 采用低功耗模式（low power mode），在低负载情况下也有非常高的效率，该模式工作在连续开关 (也称为高功率模式) 和突发模式之间的功率区域。

由于TEA2016 是通过主电容电压来调节系统的输出电压，所以对输出的功率有准确的信息。通过检测输出功率来定义操作模式 (突发模式、低功率模式或高功率模式)，操作模式的转换水平可以很容易地编程到设备中。

TEA2016 包含所有常见的保护，如过温保护 (OTP)、过流保护 (OCP)、过压保护 (OVP)、过功率保护 (OPP)、开环保护 (OLP) 和电容模式调节 (CMR)，每一个保护都可以通过设备内部的编程参数进行独立而准确地设定。同时它还包含了高压启动、集成驱动、电平移位器和保证零电压开关的电路。

TEA2016 搭配 TEA1995T 的组合提供了一个易于设计、高效、可靠的电源方案，覆盖功率范围 90W 到 400W，极少的外部器件，小于 75mW 的低的空载输入功率，以及从轻载到满载均可提供很高的效率，能轻松满足当前最严格的能效法规，因此，任何辅助的低功耗线路都可以省去。

主要特点：

• SO16 封装集成了 LLC 和 PFC 控制器（引脚图如图 1）
• 集成高压启动
• 集成两个低电位驱动和一个高侧驱动
• 高端驱动专利技术：直接由下部驱动输出提供能量
• 精确的 X-capacitor 放电功能
• 可通过 Ringo 来调整 IC 内部参数的设定
• 突发模式下软起动和软关断，降低可听噪音
• 零电压切换降低开关损耗和 EMI 干扰
• 从轻载到满载都可实现极高的效率
• 极低的空载待机功耗 （小于 75mW）
• 集成多种保护：OPP、OVP、UVP、OTP、CMR、OCP、Brown in/out
• 所有保护动作都可以单独设置为锁定、安全重启或多次重启后锁定

图1 . TEA2016 引脚图

引脚功能简介：

• SNSMAINS : 输入端母线电压检测、外部温度检测（OTP 功能）
• SNSBOOST : PFC 升压线路电压检测输入
• SNSCURPFC : PFC 电流检测输入
• GND : IC ground，通常直接连接到 PFC Bulk 电容的负端
• GATEPFC : PFC MOSFET 驱动输出
• GATELS : LLC 谐振低端 MOSFET 驱动输出
• HVS : 高压隔离，TEA2016 开发版本中此引脚可用作 I²C 烧录
• DRAINPFC : 内部高压启动源、X-电容放电、谷底检测、PFC OVP 检测
• GATEHS : LLC 高侧驱动输出
• SUPHS : 高侧驱动的电源输入；外部连接到自举电容
• HB : LLC 半桥节点、高侧驱动电平参考点、半桥斜坡检测输入
• SUPIC : IC 的电源供应，常通过变压器的辅助绕组整流滤波后进行供电
• SNSCAP : LLC电容电压检测输入，外部连接到 LLC 电容分压器
• SNSCURLLC : LLC电流检测输入
• SNSFB : 输出电压调节反馈检测，外部连接光耦；可用作 PG 信号输出脚

如图 2. TEA2016 内部逻辑框图，可以看到 TEA2016 内部的各个检测区块和控制区块，通过数字核来实现检测、控制和保护设定。

图2  . TEA2016 内部逻辑框图

起机逻辑和 IC 供电：

最初，SUPIC引脚上的电容器通过 DRAINPFC 引脚进行充电，DRAINPFC 引脚连接到PFC MOSFET的漏极，在 IC 内部，一个高压电流源位于 DRAINPFC 和 SUPIC 引脚之间（如下图 3 . HV 启动线路图）

图 3 . HV 启动线路图

为了限制 IC 的损耗，内部电流源的最大电流限制在 Ich(SUPIC)，当电流源超过其最高温度时，充电电流就会减小。

当 SUPIC 达到 Vstart(SUPIC) 水平时，它被连续地调节到这个具有滞后 (Vstart(hys)SUPIC) 的起始水平。当 SUPIC 电压降至 Vstart(SUPIC) - Vstart(hys)SUPIC 以下时，就会激活 DRAINPFC 与 SUPIC 引脚之间的电流源。当超过 Vstart(SUPIC) 时，它将使开关失效。当达到启动电压电平时，它读取内部 MTP (多次可编程内存) 并定义 IC 的内部设置。

当 SUPIC 电压降至其停止电平以下时，TEA2016 进入无电源状态。它通过 DRAINPFC 引脚将 SUPIC 引脚的电压重新充电到启动电平。在无电源状态和 MTP 读取期间，LLC 和 PFC 被禁用。当设置被定义后，PFC 就启动了，当 SNSBOOST 达到 Vstart(SNSBOOST) 的最低水平时，LLC 也开始切换 (如图 4. 起机时序图、图 5 . 起机流程图) 当启动完成，LLC控制器开始工作时，SUPIC 引脚通过 LLC 变压器的辅助绕组提供能量。在此操作状态下，高压启动电源处于禁用状态。

图 4. 起机时序图

图 5 . 起机流程图

当系统进入保护模式时，TEA2016 将不能通过辅助绕组进行供电，此时会通过 DRAINPFC 将 SUPIC 引脚充电到 Vstart(SUPIC) 电平。在突发模式的非切换期间，当 SUPIC 的电压下降到低于这一电平时，SUPIC 被调节到 Vlow(SUPIC)。它通过 Vlow(hys)SUPIC 的滞后特性来调节电压。通过这种方式，系统避免了在突发模式下由于长时间的非开关周期而触发 SUPIC 欠压保护 (Vuvp(SUPIC))。

二、基于TEA2016 - LLC 深入浅出

传统的谐振控制器通过调节工作频率来调节输出功率。

如果要求电源输出功率减小，LLC 转换器的输出电压超过了目标调整电平 ( TEA2016 的典型值为 12V 或 19.5V )，流经 SNSFB 和光耦电流就会增加，电压下降 (见图 6 . LLC 谐振频率控制)，根据其内部频率控制曲线可知谐振控制器增加了频率。由于频率较高，输出功率降低，输出电压降低。如果输出电压过低，控制器会降低系统频率，增加输出功率。通过这种方式，系统将输出功率调节到所需要的水平。

图 6 . LLC 谐振频率控制

由于频率的微小变化会引起输出功率的显著变化，因此频率控制具有很高的控制回路增益。为了提高轻载条件下系统的效率，大多数转换器在输出功率低于最低水平时就会切换到突发模式。突发模式电平主要来源于 SNSFB 引脚上的电压，对于频率控制的谐振变换器，它意味着在一定的频率而不是在一定的负载下进入突发模式。突发模式被激活时，谐振器件参数的微小变化将会导致明显的功率变化。

在 TEA2016 中，控制机制有所不同，其优点是控制回路增益恒定，输出功率决定突发模式。TEA2016 不是通过调节频率来调节输出功率，而是通过检测初级谐振电容的电压来调节输出功率：

谐振变换器的输入功率 (与输出功率有关) 可由上式计算得出 ，输入功率与谐振电容的电压差 ΔVCr 成线性关系。

图 7 . 谐振电容储存的能量与输出功率的关系，给出了输入功率和存储在谐振电容中的能量之间是线性关系的另一种解释。

图 7 . 谐振电容储存的能量与输出功率的关系

LLC 上管开通后，如图红线所示，初级侧的电流流经变压器和谐振电容 Cr。输入的能量一部分被转移到输出。另一部分储存在谐振电容 Cr 中，使谐振电容的电压上升。

当 LLC 上管关闭，下管打开时，储存在谐振电容 Cr 中的能量转移到输出端，其电压下降，这样就可以看出谐振电容电压的增加与输出功率之间是成线性关系。

虽然TEA2016 用谐振电容电压作为输出功率的调节参数，但与频率控制型 LLC 变换器相比，谐振电感、谐振电容和 LLC MOSFET 等参数值保持不变。次级侧 TL431 电路与连接到初级 SNSFB 引脚的光耦相结合，连续调节输出电压。

小结

本章第一部分介绍了 TEA2016 作为 NXP 最新推出的 LLC + PFC 二合一的控制器，极大限度的保留了上一代控制器（TEA19161+TEA19162）的优点，同时将更多必须的器件和线路集成到 IC 内部，使 TEA2016 在实际应用中的外部器件数达到最小化，保证了 BOM cost 优势的同时也降低了器件失效的风险。另外，TEA2016 采用数字核设计，能通过 Ringo 对 TEA2016 预设的近百个参数进行读取和设定，使项目的开发和调试更具灵活性。本文的第二部分结合 TEA2016 的特点对 LLC 的工作模式做了原理上的分析，解释了 TEA2016 独有的功率控制方式可以让 LLC 转换器对输出功率的调整更为精确。

至此，两篇博文介绍了常见的开关电源架构的同时，也引出了该系列博文的主角——TEA2016，编者将会在下一篇博文《TEA2016 核心特色 – Ringo 软体深入浅出》中结合视频操作对 TEA2016 烧录工具 Ringo进行介绍和演示，敬请期待！

参考文献

[1] TEA2016 Data-sheet，https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TEA2016AAT.pdf

[2] Sanjaya Maniktala 著，《精通开关电源设计》，人民邮电出版社