通嘉LD7681+LD7781非对称式半桥多组输出显示器电源应用

参考文献:LD7681+LD7781应用手册及IC规格书

一、显示器电源双组输出背景说明

显示器大功率电源传统架构如图1所示共三组电源架构包含Standby(STB) Flyback电路, 功率因子修正电路(Power Factor Correction),对称式半桥电路(LLC),其中STB Flyback 输出12V提供给主板电源及喇叭, LLC 输出20V后级连接DC/DC Converter驱动LED, PFC电路将AC交流90Vac-264Vac输入转换成直流390VDC提供后级对称式半桥电路(LLC)供电。此架构于电路设计及EMI设计复杂度较高。 Rmcednc

通嘉LD7681+LD7781新型电源架构如图2所示共两组电源架构包含功率因子修正电路(Power Factor Correction)及非对称式半桥电路,可节省一组Standby(STB) Flyback电路,减少电路及组件设计复杂度。架构优势说明如下Rmcednc

1、LLC IC LD7781具有高压启动脚(HVPin),功能可节省一组Standby(STB)Flyback电路且HV pin具有X-Cap Discharge功能相较于传统架构可节省X-Cap Discharge IC。Rmcednc

二次侧LED电路可采用DC/DC 或LED直推电路Rmcednc

2、PFC IC LD7681电感设计不需零电流侦测(ZCD)绕组可节省绕线成本, 侦测PFC MOS Vds电压搭配电阻及电容分压电路之技术进行ZCD侦测及2nd OVP功能。Rmcednc

3、非对称式LLC电路LD7781技术特性:Rmcednc

• 半桥上下臂开关设计在不同的导通时间, 并对应不同输出瓦特数搭配双组输出电压, 这个电压回授控制开关的导通时间; 对比对称式半桥上下臂开关设计固定导通时间仅对应单组输出电压回授。
• 两组输出电压有独立输出电压调整及保护模式包含输出过压保护(OVP),过流保护(OCP),输出短路保护(SCP), 对比对称式半桥仅对应单组输出保护。
• 二次侧组件设计非对称式半桥对比对称式半桥可节省一半的组件数包含变压器二次侧绕组数及整流二极管组件数。

4、通嘉LD7681(CTRLA Pin)+LD7781(CTRLB Pin)双向沟通功能增加系统稳定性包含启动,保护及待机功耗,于待机模式(PS OFF mode) LD7681+LD7781会同时进入Burst mode省电模式对应低待机功耗,藉由此功能可加速研发人员排除问题。Rmcednc

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图1  传统式大功率显示器电源架构Rmcednc

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图2 通嘉新型大功率显示器电源架构Rmcednc

二、对称式半桥与非对称式半桥的特性差异说明

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三、DCM PFC LD7681技术特点说明

1. ZCD侦测方式: 侦测MOS VDS下降斜率进行ZCD侦测达成Valley switching在1 ^st 2^nd 3^rd 4^th 波谷切换并可节省PFC 电感的辅助绕组Rmcednc

2. 轻载效率提升: 降频曲线设计轻载条件降低切换频率并减少切换损失提升效率Rmcednc

3. 两段式OVP保护: 第一段设定INV PIN第二段设定ZCD PIN增加系统安全性Rmcednc

4. 回授控制: 内部采用GM控制回路搭配外部一个电容设计。在动态负载条件下对PFC输出电压进行补偿设计增加系统稳定性。Rmcednc

5. 过功率保护电路: 侦测输入电压高低 CS pin设定不同VCS_max,使输入高低压过功率保护一致。 Rmcednc

6. PFC与LLC 双向沟通功能: LD7681(CTRLA)与LD7781(CTRLB)在启动/保护互相沟通可增加系统稳定性Rmcednc

如图3为LD7681 PFC电路图Rmcednc

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图3 LD7681电路功能及功能说明Rmcednc

LD7681 IC Pin脚功能应用说明

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四、INV PIN/ZCD PIN/CS PIN 应用说明

如图4为LD7681 INV及ZCD Pin电路

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图4 LD7681 INV及ZCD Pin电路Rmcednc

4.1、INV Pin系统输出电压设定

设计公式Vo=V_refX(R_INVH+ R_INVL)/ R_INVLRmcednc

Vref:参考电压2.5V, R_INVH: INV pin上臂电阻, R_INVL:INV pin下臂电阻Rmcednc

案例说明关键参数计算 : Rmcednc

参数设定: R_INVH=17400kohm, R_INVL=110kohmRmcednc

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4.2、ZCD Pin OVP电压设定

目的: 当第一段 INV PIN 失效后才会启动 ZCD OVPRmcednc

设计原理:Rmcednc

正常工作ZCD平台设计为2.4V如图5当输出电压发生OVP时ZCD OVP=2.7V如图6, 两者相差1.11倍,故OVP =398VX1.11=441.8VRmcednc

案例说明:Rmcednc

设计公式VZCD=Vout X (RZCDL/ RZCDL+ RZCDH), RZCDLXCZCDL=RZCDHXCZCDHRmcednc

参数设定:RZCDH=17.4M, CZCDH=22pF, RZCDL=100K, CZCDH=3480pFRmcednc

正常工作:VZCD=390V X(110K/(110K+17.4M))=2.45V, CZCDL=(17.4MX22p)/100K=3480pFRmcednc

输出OVP : VZCD=440V X(110K/(110K+17.4M))=2.7VRmcednc

计算结果 : 第二阶OVP设计为440VRmcednc

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图5正常工作VZCD设计2.46VRmcednc

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图6输出OVP VZCD触发2.7VRmcednc

Ch1: PFC Gate,Ch2:PFC Vcomp,Ch3:PFC ZCD,Ch4: PFC INV

4.3、CS Pin 设定

目的: 当PFC输出过功率时进行Cycle By cycle limit过功率保护Rmcednc

设计原理: 输入低压 Vcs_max1=0.8V 输入高压 Vcs_max2=0.4VRmcednc

当Vcs触发到Vcs_max进行Cycle By cycle limit时波形如图7所示Rmcednc

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图7 CS PIN Cycle By cycle limit Vcsmax=0.8VRmcednc

Ch1: CS Pin

五、非对称式半桥LD7781特点说明

1. HVPIN具有高压启动,ＸCap Discharge及AC Brown in/out功能
2. 两组输出电压回授控制上下臂开关的导通时间增加输出电压稳定性
3. 两组输出电压独立OVP/OCP/SCP增加系统安全性
4. 二次测PS ON/OFF控制PFC LD7681及LLC LD7781 进入Burst mode符合待机功耗
5. LLC电容性区域保护(CMP: Capacitive mode protection)
6. 外部过温度保护功能
7. PFC与LLC 双向沟通功能: LD7681与LD7781在启动/保护互相沟通可增加系统稳定性

如图8 为LLC LD7781 电路图Rmcednc

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图8 LD7781 电路图Rmcednc

LD7781 IC Pin脚功能应用说明

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5.1 双输出电压回授控制

LD7781 内部有两组降频曲线对应两组输出电压调整如下图9所示,依据不同VFB的电压对应不同MOS导通时间。Rmcednc

FB1 PIN控制VO1电压调整及依据VFB1调整Low side Gate的Ton 时间Rmcednc

FB2 PIN控制VO2电压调整及依据VFB2调整High side Gate的Ton时间Rmcednc

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图9 双回授电压控制Rmcednc

5.2 PS ON/OFF Mode 操作原理

PS OFF Mode进入待机模式: Rmcednc

1. BST 内部100uA会流过外部串联电阻RBST并产生VBST(VBST=100uAXRBST)如图10, VBST 与降频曲线会决定LLC Burst mode时MOS导通时间( Ton)的时间如图11。
2. VBST为高电位,LD7681 LLC 进入Burst mode且 CTRLB会与LD7861 CTRLA进行沟通,使LD7681同时进入Burst mode 

PS ON Mode 进入正常工作模式Rmcednc

1. VBST为低电位 
2. LLC及PFC进入正常工作模式

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图10 PS ON/OFF控制方块图Rmcednc

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图11 VBST对应降频曲线Rmcednc

5.3 OVP应用说明

两组输出电压可独立进行保护VO1采用电压侦测(VOVP>2.65V), VO2采用电流侦测(IOVP>300uA),电路设计如图12所示Rmcednc

设计公式Rmcednc

V_{OVP_Vo1}=2.65V X (R_OVPH+R_OVPL)/ R_OVPLX( N_{S_V01}/N_aux)Rmcednc

V_{OVP_Vo2}=(300uAXR_OVPHXN_{S_V02})/N_auxRmcednc

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图12 OVP Pin电路及功能应用Rmcednc

案例说明OVP PIN关键参数计算 : Rmcednc

Vo1=10V, Vo2=20V, Np=38T, Ns1=2T, Ns2=4T Naux=6T , R_OVPH=147K, R_OVPL=10KRmcednc

V_{OVP_Vo1}=2.65V X (147K+10K)/ 10KX( 2T/6T)=13.87VRmcednc

V_{OVP_Vo2}=(300uAX147KX4T)/6T=29.4VRmcednc

OVP测试波形图Rmcednc

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图13 Vo1 OVP  10V OVP=13.74VRmcednc

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图14 Vo2 OVP  20V OVP=29.84VRmcednc

5.4 OCP/SCP/CMP应用说明

两组输出电压可独立进行保护电路如图15所示保护说明如下 Rmcednc

输出过流保护(OCP)操作模式参考图16 : Rmcednc

VCS>1.5V且维持400mS 触发VO1 OCP保护Rmcednc

VCS>-1.73V且维持400mS触发VO2 OCP保护Rmcednc

输出短路保护(SCP)操作模式参考图17: Rmcednc

VCS>2.3V且维持40mS触发VO1 SCP保护Rmcednc

VCS>-2.65V且维持40mS触发VO2 SCP保护Rmcednc

电容性区域保护(CMP)操作模式参考图18:Rmcednc

输出短路使谐振槽进入电容性区域此时谐振电流超前谐振电压时,VCS侦测到此现象时驱动立即关闭。Rmcednc

图15 CS Pin电路及功能应用Rmcednc

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图16输出过流保护(OCP)Rmcednc

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图17输出短路保护(SCP)Rmcednc

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图18电容性区域保护(CMP)Rmcednc

六、Demo Board设计范例

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图19 Demo board 正面图Rmcednc

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图20 Demo board 反面图Rmcednc

Power Saving

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Line / Load / Cross Regulation

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Over Power Protection

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Over Voltage Protection

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Dynamic Load

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Turn-on Delay Time

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LD7681+LD7781 设计应用于显示器电源产品，可减少组件数对应产品小型化设计且可容易替换副边回授控制方案,我们将提供最详细的信息及应用说明给您。Rmcednc

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