智能优化死区时间:实现钛金级电源不再是梦！

每个工程师都希望电源有更高的效率。然而，在效率达到90%以上时，传统的电源解决方案要想再往上提升效率，则需要投入大量的研发和器件成本。因此，市场上能够满足80 PLUS钛金牌认证的解决方案屈指可数。然而，随着耗电量的激增，市场迫切需要有高效率的低成本电源解决方案。 为了使电源效率进一步提高，德州仪器（TI）推出了具有智能数字控制和体二极管感测功能的电源管理芯片组——UCD3138A和UCD7138。该芯片组可优化AC/DC电源中的次级侧同步整流。UCD3138A数字控制器和UCD7138低侧栅极驱动器可改善系统效率，与其他数字电源解决方案相比，可将同步整流MOSFET电压应力锐减一半。 在同步整流器内对死区时间做精准控制，可以最大程度地减少功率损失，并降低MOSFET电源故障的风险。UCD3138A和UCD7138芯片组在快速数字控制算法中采用体二极管电压信息来动态地优化死区时间，并可以补偿功率级器件变化，从而无需在批量生产中进行校准或筛选。这能够帮助服务器和电信设备供应商加快80 PLUS钛金牌认证电源的上市时间，同时还能帮助信息技术服务提供商节省能源成本。 那么，这款新的电源解决方案是如何做到在低成本的情况下提升电源效率的？最终受益的应用又会有哪些？ 钛金级电源为何，为何要选LLC拓扑？ 德州仪器（TI）工业类隔离电源（AC/DC、DC/DC、新能源）市场经理吴万邦介绍说，这个芯片组最主要是用于LLC拓扑的应用。什么客户或什么应用会用LLC拓扑？——做服务器和PC这种需要很高效电源的应用，因为LLC是最高效率的拓扑结构。UCD3138A本身可以控制LLC拓扑，那么又为什么要加UCD7138呢？因为在副边MOSFET中，采用驱动的功能会比较好。

图1：德州仪器（TI）工业类隔离电源（AC/DC、DC/DC、新能源）市场经理吴万邦。
B3Eednc

LLC拓扑广泛用于电信整流器、服务器电源、游戏机、PC电源和工业应用中。游戏机和PC机为什么要用LLC？这是因为每个电脑里都有个电源，每个电源都有标准，例如80 PLUS认证。目前80 PLUS标准有铜牌、银牌、金牌、铂金牌和钛金牌五个规格，其中最高的是80 PLUS钛金牌认证。 每个电源都是希望尽可能节省成本。Facebook、Google等服务器集群非常耗电，如果电源效率不高，数据中心的费用就会很大。PC也一样——当玩游戏或是做工作时，电脑就会变热，这就要想办法散热，同时也要支付更多电费。 “因此，现在市场上想把整个规格放出来，我们在市场可以看得到有个规格叫80 PLUS，现在最严格的是钛金，然后有铂金，有金牌，有银牌，有铜牌。80金就等于在50% 负载时需要有95%的效率。这个是很高的，因为等于你要买比较贵的MOSFET，要选好的拓扑。因此，我们通常就选LLC的拓扑结构，因为LLC具有是最高的效率。”吴万邦表示。 80 PLUS包括115V和230V两个规格。230V规格，80 PLUS钛金牌认证要求效率最少是95%。效率每提升一点都需要更多费用，包括开发和器件成本，尤其是效率达到90%多时，每提高0.1%都很难。80 PLUS钛金就很难做到。

图2：80 PLUS钛金牌认证。
B3Eednc

LLC拓扑中间有一个变压器，即高压输入、低压输出，比如400V输入、48V输出。为了让转换更有效率，可以选择不同的拓扑结构，比如移相全桥、硬开关全桥等。LLC效率最高，但复杂度比较大，这是因为有几个MOSFET要处理。

图3：UCD3138A+UCD7138 LLC拓扑解决方案系统框图。
B3Eednc

变压器原边的MOSFET有两颗，是高压MOSFET（图中未画出）。副边的MOSFET有两颗，用于同步整流。UCD3138A和UCD7138芯片组用于副边MOSFET。 在LLC拓扑结构中，UCD7138和UCD3138A 的关系是，UCD3138A控制LLC拓扑，UCD7138驱动MOSFET，并和UCD3138A通信。 为什么要两片UCD7138？吴万邦解释说，UCD7138只是一个单通道的驱动器。通常有一些驱动器有两个通道，即用一个驱动器驱动两个MOSFET。而这里用的是单通道的驱动器。其原因有两个： 第一，这个驱动器本身很小——3mm×3mm封装。这样做的目的是，希望将MOSFET 驱动器放在离MOSFET很近的位置。如果是一颗双通道的驱动器，就要放在中间位置，走线会比较长，不方便使用。 第二，这个驱动器驱动能力很强。通常在LLC副边的MOSFET或同步整流器不是只有一颗——有时候会并联3到6颗甚至8颗。

【分页导航】B3Eednc

• 第1页：钛金级电源为何,为何要选LLC拓扑？	• 第2页：UCD3138A:可编程电源外设让频率更高
• 第3页：UCD7138自动调整MOSFET导通时间	• 第4页：UCD3138A和UCD7138的主要特性与优势:

B3Eednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} UCD3138A:可编程电源外设让频率更高 UCD3138A数字控制器是一款先进的IC，它包含可编程电源外设和数据处理两个部分。 UCD3138A采用ARM7 MCU设计，它具有UART和PMBus通信功能。PMBus是电源设计常用的一种通信标准。“添加通信标准，是因为我们有时要查看电源是否有问题，比如希望报告温度是多少。”吴万邦说。

图4：UCD3138A内部结构及特性和优势。
B3Eednc

市场上有很多的电源芯片，同时，普通的MCU就可以做数字电源控制。用MCU（例如TI的C2000 IC）做电源，每一个周期都会由MCU来决定下一个周期需要多长。而UCD3138A数字控制器的不同之处，是有可编程电源外设的硬件在里面。UCD3138A中的ARM平台没有做电源控制，最主要的原因是速度考虑。如果每一个周期都要处理器决定下一个PWM的占空比，MCU就会变很慢（MCU还要做通信、监控等其他工作）。 市场上出现的GaN MOSFET针对很快的应用，如果用MCU来做电源控制，就不能达到快速的要求。可编程电源外设这样的硬件方法可以做到2MHz频率，而其他电源都无法达到这样的频率。同时，该硬件是可编程的，即这个硬件可以再调。MCU启动时会读取闪存并配置可编程电源外设，配置完后就不再管理这些外设，除非是发生错误需要MCU查看或需要MCU做出响应。 数字电源IC可以用于所有的拓扑结构，而模拟产品，比如LLC功能的产品，就只能在LLC拓扑中使用（图5）。

图5：UCD3138基本覆盖所有的电源拓扑。
B3Eednc

“其实很多人都在问我们那颗IC可以放在哪里？这颗IC可以做PFC，也可以做DC-DC。你可以想得到，数据中心服务器集群和电信都是很大的应用。此外，PC，因为PC有电源线插在电源适配器中。然后是汽车，汽车电子越来越多采用48V供电。还有个人消费类电子，比如电视越来越大，在美国、欧洲可以看得到超高清（UHD）的大屏幕电视（而在亚洲没有那么大，因为我们房间比较小）。因此，也有一些电视厂商会采用数字电源方案，因为电视越大需要的功率越多。此外，医疗电子也在用数字电源的IC。”吴万邦谈道。 数字电源最好的一个优势是所有的拓扑都可以做，并且用户很快就可以设计出产品，做完一个平台还可以搬去另外一个平台做拓扑。如果是用模拟方案的话，需要再调，调完后要再处理外部电压。 UCD3138A有两种封装：40脚RMH封装和64脚RGC封装。

【分页导航】B3Eednc

• 第1页：钛金级电源为何,为何要选LLC拓扑？	• 第2页：UCD3138A:可编程电源外设让频率更高
• 第3页：UCD7138自动调整MOSFET导通时间	• 第4页：UCD3138A和UCD7138的主要特性与优势:

B3Eednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} UCD7138自动调整MOSFET导通时间 UCD7138A是副边同步整流驱动器，采用6引脚QFN封装。该驱动器有4A/6A的驱动能力。因为通常MOSFET不只有一颗而是有几颗，所以这个驱动器驱动能力很强。UCD3138A会发出波形驱动MOSFET。

图6：具有体二极管导通传感功能的UCD7138DRS低侧栅极驱动器
B3Eednc

UCD7138有什么新的功能呢？副边MOSFET（即同步整流管）有一个体二极管。UCD7138驱动器会一直侦测体二极管的导通时间，并将该导通时间报告给UCD3138A控制器。这有什么好处？如果UCD3138A能知道MOSFET的导通时间，则可以在每个周期调整同步整流的驱动。UCD3138A每个周期都在看UCD7138的报告，对报告进行解码，UCD3138A就能知道MOSFET的导通时间有多长，下一个周期就可以对同步整流（SR）导通时间进行相应调整。这会有很大的帮助。 第一个帮助是，效率能提高。因为电源如果没有采用这种方法，通常需要将导通时间增大——导通时间太小会产生VDS高压或过应力的问题，使MOSFET损坏。MOSFET导通时间越小，效率越高，但太小又会打坏MOSFET。因此，通常做电源产品会将导通时间放大一些，但这会影响效率。采用这种方法，效率可以提高，可靠性也会提高，因为每个周期都可以看MOSFET导通时间有多长，MOSFET导通时间在每个周期都会自动进行调整。 “其实很简单，UCD3138A向UCD7138发送DPWM脉冲，UCD7138 OUT引脚驱动MOSFET同步整流，VD引脚监测MOSFET漏源体二极管，DCT向UCD3138A发送报告，UCD3138A中的解码器决定下一个周期怎样驱动。因此就可以每个周期不断修改，从而无需设置较大的死区时间，而影响效率。”吴万邦表示。 在半桥LLC的典型应用中，半桥LLC只有两颗MOSFET做同步整流。因此，UCD3138A只需要两个引脚——DCT0和DCT1来配合UCD7138即可。 值得指出的是，UCD3138A是UCD3138A的改进版本。推出UCD3138A版本的主要目的是增加了DCT引脚，配合新的UCD7138工作。以前的方案只是给出一个波形，没有报告功能。做了这个功能以后，需要有一个很准的解码器。UCD7138有一个4ns分辨率的DCT解码器（最小可以侦测到4ns的体二极管导通），这是一个很高的精度。 “我们这个方法其实市场上没有一个IC厂商像我们这样做——所有厂商都是看RDSON。看RDSON的问题是Layout不那么好用，它的阈值比较小。通常LLC拓扑副边都有几颗MOSFET并联使用，并联时RDSON的方法不是那么好用，阈值变得越来越小。而我们这个在每个周期可调（RDSON没有办法做到这点）。这对于体二极管是一直在看，市场上没有这种解决方案。这样做的好处就是效率能提高，可靠性也可以提高。” 图6显示了采用UCD7138带来的效率提升。“两条曲线都是用UCD3138A来控制LLC拓扑，但是分别开启和禁用了UCD7138功能。UCD7138有控制引脚，可以使能和禁用报告功能。如果启用了UCD7138，就能看到，板子的效率起码可以提高0.2%，这样就能达到80 PLUS钛金牌的标准。以后，我们将会发现有越来越多的电源从金升级到铂金，再到钛金的规格。”吴万邦说。笔者相信这一创新解决方案也会为数字电源的应用和电源效率的提升打开更广阔的空间。

图7：UCD3138A控制LLC拓扑，采用UCD7138带来的效率提升。
B3Eednc

这个看SR体二极管的方法每个周期都能调整SR开启时间，会比较可靠，因为电压阈值不会很大，可以控制每个周期最小是多少。

图8：打开UCD7138前后的电压波形对比。未打开UCD7138时，电压波形很差，VDS太高，容易损坏MOSFET，并且效率较差。打开UCD7138后，波形就像教科书上那样非常漂亮。
B3Eednc

最后，吴万邦补充说：“我们所有的解决方案都希望有比较高的效率，同时又比较省钱。没有这个芯片组之前，我可以买贵一点的比较器或者买贵一点的变压器、贵一点的MOSFET。这种方法比较贵，因此，你就可以看到在市场上没有很多符合钛金牌认证的产品。其实很多公司都想达到钛金牌标准，但是没办法，太贵，他们没办法再达到95%的效率。”

【分页导航】B3Eednc

• 第1页：钛金级电源为何,为何要选LLC拓扑？	• 第2页：UCD3138A:可编程电源外设让频率更高
• 第3页：UCD7138自动调整MOSFET导通时间	• 第4页：UCD3138A和UCD7138的主要特性与优势:

B3Eednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} UCD3138A和UCD7138的主要特性与优势： ● 智能二极管电压感测优化了死区时间：通过更精确侦测同步整流管的寄生二极管的导通能够提高效率和可靠性，同时消除传统MOSFET VDS(ON)感测器件的信噪比难题。 ●高峰值电流支持宽负载范围：在使用多个并联FET的情况下，UCD7138的不对称、轨至轨4A供电电流和6A峰值吸收电流驱动可支持从几百瓦到一千瓦的负载范围。 ●紧凑型解决方案可实现快速、高效的开关切换：单个3mm×3mm的四方扁平无引线（QFN）封装缩减了板级空间，并且降低了当布设在同步整流器MOSFET的旁边时所产生的寄生电感。 ●在高达2MHz频率下实现高效运作：UCD3138A中的硬件外设以及UCD7138中的14ns传播延迟、快速上升/下降时间和最小化容差可实现极高的频率。 和此芯片组相配合，TI最近还发布了新的更低功率AC/DC Flyback转换器。TI的UCC24630同步整流控制器可提供最高的效率以及对于电路板布局和MOSFET封装寄生效应的低敏感性。另外，自动低功耗检测和110μA待机电流还使得设计人员能够轻松地实现超低的待机功耗。

【分页导航】B3Eednc

• 第1页：钛金级电源为何,为何要选LLC拓扑？	• 第2页：UCD3138A:可编程电源外设让频率更高
• 第3页：UCD7138自动调整MOSFET导通时间	• 第4页：UCD3138A和UCD7138的主要特性与优势:

B3Eednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载