STCMB1：高性能AC - DC控制器的深度解析

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的控制器對于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且安全的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。STCMB1作為一款集成了過渡模式（TM）PFC和LLC諧振半橋控制器的高性能芯片，為電源設(shè)計(jì)帶來了諸多優(yōu)勢。今天，我們就來深入探討一下STCMB1的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、STCMB1概述

STCMB1集成了TM PFC、LLC諧振半橋的高壓雙端控制器、800V高壓啟動部分以及協(xié)調(diào)這三個(gè)模塊工作的邏輯電路。其采用SO20W封裝，適用于AC - DC適配器、LED TV電源、LED路燈等多種應(yīng)用場景，并且符合“能源相關(guān)產(chǎn)品”指令（EuP）Lot 6、DOE和歐洲CoC ver. 5、Tier 2等標(biāo)準(zhǔn)。

特點(diǎn)總結(jié)

1. 高壓啟動與輸入電壓檢測：具備800V高壓啟動功能，可通過HV引腳檢測交流輸入電壓，為芯片啟動提供電源。
2. X電容放電功能：能自動檢測交流電源插頭的斷開，利用HV啟動系統(tǒng)對X電容進(jìn)行放電，無需傳統(tǒng)的X電容放電電阻，降低了輕載或空載時(shí)的功耗。
3. 完善的保護(hù)機(jī)制：PFC部分具備逐周期過流保護(hù)（OCP）、輸出過壓保護(hù)（OVP）、反饋故障保護(hù)（FFP）等；LLC部分具備直流欠壓保護(hù)、兩級過流保護(hù)、硬開關(guān)預(yù)防（HSP）和抗容性模式保護(hù)（ACP）等。
4. 先進(jìn)的控制算法：PFC采用增強(qiáng)型恒定導(dǎo)通時(shí)間（ECOT）控制，結(jié)合THD優(yōu)化器，降低輸入電流失真；LLC采用時(shí)移控制（TSC），提高動態(tài)響應(yīng)和輸入紋波抑制能力。
5. 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間：能夠自動調(diào)整半橋中點(diǎn)的死區(qū)時(shí)間，優(yōu)化諧振電路設(shè)計(jì)，提高不同負(fù)載下的效率。

二、關(guān)鍵模塊工作原理

（一）PFC部分

1. 增強(qiáng)型恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（ECOT）

傳統(tǒng)的COT控制在每個(gè)周期中，當(dāng)升壓電感電流降為零時(shí)，功率晶體管導(dǎo)通；當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到控制回路設(shè)定的值時(shí)，晶體管關(guān)斷。然而，由于寄生電容的存在，會導(dǎo)致電感電流波形出現(xiàn)負(fù)偏移，從而影響輸入電流的正弦性。

STCMB1的ECOT控制通過延遲導(dǎo)通時(shí)間定時(shí)器的啟動，直到電感電流達(dá)到預(yù)設(shè)值(I_{Lth})，從而抵消傳統(tǒng)COT控制中的恒定項(xiàng)，使輸入電流更接近正弦波。具體來說，當(dāng)ISENPFC引腳的電壓低于 - 25mV時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器開始工作；同時(shí)，當(dāng)信號上升越過該閾值時(shí)，內(nèi)部發(fā)生器會產(chǎn)生一個(gè)正偏移電壓，進(jìn)一步延遲閾值的跨越，從而調(diào)整(I{Lth})的值。通過調(diào)整串聯(lián)電阻Ros，可以找到最佳的(I_{Lth})，實(shí)現(xiàn)THD的優(yōu)化。

2. 電壓前饋功能

為了使PFC在不同交流輸入電壓下保持最大輸出功率基本恒定，STCMB1集成了兩級離散電壓前饋（VFF）功能。通過HV引腳監(jiān)測交流輸入電壓，并將信號輸入到峰值檢測器中，根據(jù)輸入電壓的不同，調(diào)整TON引腳輸出的電流(I_{TON})，從而確定功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。

3. 保護(hù)機(jī)制

• 過流保護(hù)（OCP）：通過ISEN_PFC引腳監(jiān)測電感電流，當(dāng)電壓低于 - 0.5V時(shí)，觸發(fā)內(nèi)部過流比較器，提前終止外部功率MOSFET的導(dǎo)通周期，實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制。
• 過壓保護(hù)（OVP）：動態(tài)OVP通過監(jiān)測FB引腳的電壓，當(dāng)電壓超過閾值(V_{FBS})時(shí)，停止開關(guān)活動；當(dāng)電壓下降到(V{FBR})時(shí)，允許重新啟動。反饋故障保護(hù)（FFP）則在FB引腳電壓下降到閾值(V{FB_D})時(shí)，停止兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)活動，并鎖定芯片操作。

（二）LLC部分

1. 時(shí)移控制（TSC）

TSC控制方法通過控制從諧振槽電流過零到半橋切換的時(shí)間(T{SH})，確保槽電流滯后于施加的方波電壓，從而實(shí)現(xiàn)MOSFET的軟開關(guān)。在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的轉(zhuǎn)換器中，(T{SH})的范圍在(T{swmin} / 4)和(T{swmax} / 2)之間。通過TSC，內(nèi)部形成一個(gè)閉環(huán)，外部輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)為內(nèi)部環(huán)提供參考(T_{SH})。這種控制方法使得轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性接近一階系統(tǒng)，簡化了頻率補(bǔ)償，提高了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸入紋波抑制能力。

2. 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間（ADT）

死區(qū)時(shí)間(T{D})對于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)至關(guān)重要。STCMB1的ADT功能能夠自動調(diào)整(T{D})，使其跟蹤半橋中點(diǎn)的過渡時(shí)間(T_{T})。通過檢測半橋中點(diǎn)的電壓變化，利用邊緣檢測器和單穩(wěn)態(tài)電路，實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的動態(tài)調(diào)整。ADT功能允許在變壓器中使用更高的磁化電感，減少磁化電流和導(dǎo)通損耗，提高中輕載效率。

3. 硬開關(guān)預(yù)防（HSP）和抗容性模式保護(hù)（ACP）

當(dāng)諧振轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率低于臨界值時(shí)，可能會進(jìn)入容性模式，導(dǎo)致硬開關(guān)和其他問題。HSP功能在MOSFET導(dǎo)通前檢查ISEN_HB引腳的信號極性，確保開關(guān)操作的正確性；ACP功能在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)監(jiān)測ISEN_HB引腳的電壓極性，若極性不正確，則重置振蕩器并保持驅(qū)動器關(guān)閉，直到極性恢復(fù)正常。同時(shí)，在容性模式下，會對軟啟動電容進(jìn)行放電，提高開關(guān)頻率，使操作遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。

三、應(yīng)用注意事項(xiàng)

（一）HV啟動與X電容放電

HV啟動電路在芯片啟動初期為其供電，當(dāng)半橋部分啟動后，HV啟動系統(tǒng)關(guān)閉。在故障情況下，若半橋無法啟動，HV啟動系統(tǒng)將在80ms超時(shí)后關(guān)閉；當(dāng)VCC電壓下降到UVLO閾值以下時(shí)，HV啟動系統(tǒng)重新啟用。

X電容放電功能通過檢測HV引腳的電壓，在檢測到交流電源插頭斷開后，觸發(fā)HV啟動系統(tǒng)對X電容進(jìn)行放電，確保X電容電壓降至安全水平。在放電過程中，電流從HV引腳流入，通過VCC引腳流出，為芯片供電；同時(shí)，內(nèi)部15V鉗位電路會限制VCC引腳的電壓。

（二）布局設(shè)計(jì)

良好的布局設(shè)計(jì)對于STCMB1的性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：

1. 電源地與信號地分離：將高電流回流路徑與信號回流路徑分開，避免相互干擾。
2. 縮短高dV/dt信號路徑：如連接到升壓電感、PFC MOSFET漏極、LLC諧振槽MOSFET和變壓器的PCB走線應(yīng)盡可能短，以減少噪聲輻射。
3. 合理放置濾波元件：PFC和LLC電流檢測的RC濾波元件應(yīng)靠近相關(guān)引腳放置，濾波電阻應(yīng)靠近引腳串聯(lián)，濾波電容的接地連接應(yīng)靠近GND引腳。
4. 注意信號引腳的保護(hù)：FB、COMP、TON等信號引腳的走線應(yīng)盡可能短，并遠(yuǎn)離高dV/dt信號走線，以防止噪聲干擾。

四、調(diào)試模式

STCMB1提供了兩種調(diào)試模式，方便工程師對PFC和LLC部分進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試：

1. PFC禁用模式：在電源開啟時(shí)，若ZCD引腳電壓大于2.4V，則禁用PFC部分，使LLC諧振部分能夠獨(dú)立工作。在這種模式下，需要通過直流電壓為芯片供電，且直流欠壓功能被禁用。
2. LLC禁用模式：若ISEN_HB引腳電壓大于2.4V，則禁用LLC諧振部分，使PFC部分能夠獨(dú)立工作。此時(shí)，HV啟動系統(tǒng)可以為VCC電容充電，但啟動后仍需要外部直流電源為芯片供電。

五、總結(jié)

STCMB1作為一款集成度高、功能強(qiáng)大的電源控制器，通過先進(jìn)的控制算法和完善的保護(hù)機(jī)制，為電源設(shè)計(jì)提供了高效、穩(wěn)定的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要深入理解其工作原理，合理設(shè)計(jì)電路布局，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。同時(shí)，利用其調(diào)試模式，可以方便地進(jìn)行故障排查和性能優(yōu)化，提高開發(fā)效率。希望本文能夠?yàn)閺V大電子工程師在使用STCMB1進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。

你在使用STCMB1的過程中遇到過哪些問題？或者你對其某個(gè)功能有更深入的疑問嗎？歡迎在評論區(qū)留言討論。