在追求高轉換效率的電源轉換器應用中，采用LLC諧振的LLC諧振電源轉換器（resonantpower converter）電路架構因其優異的效率表現，在近年來變得相當流行。

為了進一步增進LLC電源轉換器在重載時的工作效率，設計實例中也紛紛采用了同步整流（synchronous rectification, SR）來減少原本以二極管作為變壓器輸出側整流組件的功率損耗。此外，針對輕載效率的增進，有別于通常操作狀況所慣用的脈沖頻率調變（pulse frequency modulation, PFM），許多專用控制器也提供了輕載控制模式 （Light-load mode） 來減少切換損失。

LLC同步整流應用電路及工作原理

NCP4318是適用于LLC架構的同步整流控制器，其應用電路如圖 1所示，而其工作原理則概述如圖 2。NCP4318透過VD與VS腳位來檢測SR功率開關之汲極（drain,D）與源極（source,S）之間的電位差（VDS），以此決定其VG腳位的驅動信號狀態。驅動信號的觸發分為DLY_EN旗標為LOW或HIGH兩種狀況。一般情況下，當VD與VS腳位之間的電位差低于VTH-ON準位時，立即將VG輸出為HIGH。

但當DLY_EN旗標為HIGH時，VD與VS腳位的電位差低于VTH-ON準位要維持一段tON-DLY2的延遲時間，VG才會輸出為HIGH。在VG輸出為HIGH時，透過偵測VD與VS電位差高于VTH-OFF準位，NCP4318會將VG信號關斷。此VTH-OFF在NCP4318的設計中是一個變動的值。藉由調整VTH-OFF，NCP4318可以確保從VG關斷到VD電壓上升達VTH-HGH的時間差，亦即死區時間（deadtime），在不同負載的狀況下都保持不變。

圖 1.NCP4318基本應用電路圖

圖 2. NCP4318基本動作原理

輕載控制模式

許多廠家推出的LLC控制專用IC都提供了輕載控制模式。雖然其觸發條件和操作細節各有差異，但共通的原理是將一次側的閘極信號控制為一個經過設計的封包（packet、pattern、package），再調整封包之間的距離，以實現功率的調變。這些封包通常具有較短的開頭閘極脈沖（gatepulse），用來將LLC的諧振腔（resonanttank）儲能狀態操作到能夠傳送能量的狀態，然后再使用后續的閘極脈沖將能量傳遞到二次側。

以安森美（onsemi）的NCP13992系列為例，如圖 3所示，一次側的閘極信號按照Q2→Q1→Q2的順序排列，而封包之間有一段所有閘極信號皆為低準位的休止（dormant）時間。借由輕載控制模式，LLC電路可以避免在輕載時被操作在較高的切換頻率（switchingfrequency），從而降低切換損失（switchingloss）。

圖 3. NCP13992/NCP13994的輕載操作模式

兼容性挑戰

當一次側操作為輕載操作模式，二次側的電流波形會與通常的脈沖頻率調變相當不同。首先，由于一次側的導通時間會有長短變化，因此二次側的電流導通時間也會有所變動。此外，并不是每一個一次側的閘極脈沖都會在二次側產生導通電流。

實際上，視乎不同輕載操作模式的封包設計，二次側的電流導通樣態也會有所不同。有些一次側閘極脈沖并不會讓二次側呈現出導通電流，而有些則只會導通部分時間。甚至在休止時間內，共振腔剩余的電流導通一次側功率開關本體二極管（bodydiode）時，二次側有時也會有短暫的電流導通。

當二次側導通電流時，首先會讓SR功率開關的本體二極管導通。此時，SR控制器會偵測到VD與VS電位差的低準位，進而送出VG脈沖。然而，在輕載操作模式中，二次側的電流會忽大忽小、忽長忽短、忽有忽無，這對SR控制器來說帶來更多挑戰。

參數調整策略

幸好，NCP4318具有可調整的參數，可以透過調整其允許調整的部分參數來增進其與輕載操作模式的兼容性。以下列出較相關的參數及描述其分別的調整方向：

一、縮短tON-DLY2

NCP4318 的tON-DLY2設計，究其原由，是為了操作于低于諧振頻率模式（belowresonance）的LLC電源轉換器，在輕載時的二次側電流導通特性所設計的機制。只要在觸發到NCP4318的負電流偵測（SRCINV），或是脈沖跳頻模式（skipmode）時，一次側無脈沖的時間達足夠長度（tGRN2-ENT），DLY_EN旗標即會轉態為HIGH。

而負電流偵測在各種輕載的瞬時過程中都很容易觸發。例如，重載跳到輕載，或是在輕載時的脈沖跳頻模式的進出過程，都很容易在二次側電流縮小并縮短其導通時間的切換周期里，觸發到負電流偵測。因此，在輕載狀況下，NCP4318的DLY_EN旗標通常為HIGH。

圖 4.低于諧振頻率模式的輕載二次側電流典型特性

對于具有輕載操作模式的控制器，設計上通常會讓應該導通電流的閘極脈沖都能導通相當的電流，而每個脈沖的波寬亦傾向不如低于諧振頻率模式那樣長，而是更近于高于諧振頻率模式（aboveresonance）的波形。因此，如圖 4那樣需要相當長度tON-DLY2的狀況通常并不常見于輕載操作模式。基于增進SR功率開關的利用率的考慮，建議將tON-DLY2參數設定得較短。NCP4318的tON-DLY2最短可以設定到240ns。

二、縮小KTON1/2、tINV

由于在切換的過程容易伴隨如圖 5所示的噪聲，這些噪聲可能會使VDS高過VTH-OFF。因此，NCP4318設計了最短導通時間（tON-MIN）來防止VG脈沖被過早地關斷。NCP4318的最短導通時間設計為基于前一個切換周期所測得的同步整流導通時間（SRCOND[n-1]）的一個固定比例。

這個比例取決于DLY_EN旗目標狀態，可以是KTON1或KTON2，如圖 2所示。在最短導通時間內，VTH-OFF會被無效化，但VG仍然可以透過保護機制（例如SRCINV）來關斷。然而，透過保護機制關斷VG，總是需要多滿足一段延遲時間（delaytime），這會使關斷時間稍晚一些。SRCINV的延遲時間為tINV。如果SR閘極信號因為其開關導通的電流由正轉負而需要被關斷，多等一段時間，也就讓負電流多累積一點時間，將在關斷時造成同步整流功率開關上較大電壓應力。

因為輕載操作模式的電流導通時間會忽長忽短，為了避免其中由長變短時，短的導通時間落入tON-MIN之內，您可以將NCP4318的KTON1和KTON2設定得短一點。NCP4318所提供的最短參數設定為KTON1=34%、KTON2=17%。

另外，如果一次側的短脈寬可調整，也建議將它調整得比KTON2還長一些。如果一次側的短脈寬無法稍微拉長，難免還是會需要透過SRCINV來關斷VG的狀況。因此，您可以將SRCINV的延遲時間設定得短一點。但是，要注意不要短得讓如圖 5的噪聲觸發了SRCINV。NCP4318的tINV可設定范圍為170~ 620 ns。

圖 5.VG導通時的VDS噪聲

三、縮短tOFF-MIN

通常在一個閘極脈沖剛關斷的時候，為了防止受到噪聲影響而誤觸了導通的動作，我們會在關斷之后加上一段最短關斷時間（tOFF-MIN），以確保閘極信號的關斷狀態至少維持這么一段時間。在圖 3中提到，輕載操作模式通常是在封包之間插入休止時間來調整能量傳遞。

封包里的第一個脈沖和最后一個脈沖通常都落在同一個閘極信號上，例如圖 3的例子是在Q2。連續兩個Q2脈沖，如果休止時間比較短，同一個SR功率開關可能需要在關斷不久后又立即開通。因此，您可以把NCP4318的tOFF-MIN設定為較短的選項。例如，低頻版本（NCP4318xLx）的tOFF-MIN參數為2μs，您可以另外選擇700ns；而高頻版本（NCP4318xHx）的tOFF-MIN參數為1μs，您可以另外選為500ns。

圖 6.tOFF-MIN使VG無法實時開通

綜上所述，搭配輕載操作模式，建議的NCP4318參數挑選為短tON-DLY2、小KTON、短tINV和短tOFF-MIN。在本文撰寫時，尚無單一版本的NCP4318將以上所提到的所有參數調整到極致。

根據本文撰寫時NCP4318的規格手冊，目前所有版本的tON-DLY2都是最短的設定。具有較小的KTON的版本有NCP4318ALGP。至于tINV，最短設定的版本包括有NCP4318AHD、NCP4318ALGP。而tOFF-MIN設定為較短值的版本則包括NCP4318ALS。

NCP4318的參數調整方式是封裝后程控（in-packageprogramming）。目前的產品方針是將每一種不同設定做成個別可定購零件編號（orderablepart number, OPN）。如果您有客制參數設定的需求，可以與當地的安森美業務代表或產品代理商聯系。

表 1.NCP4318在本文寫作當下的可定購版本列表