深入解析FAN7688：带同步整流控制的LLC谐振变换器控制器

在电子工程领域，电源管理芯片的性能对于整个系统的效率和稳定性起着关键作用。FAN7688作为一款具有同步整流控制功能的先进次级端LLC谐振变换器控制器，为隔离DC/DC转换器带来了诸多优势。本文将对FAN7688进行详细解析，探讨其特性、工作原理及应用。

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一、FAN7688概述

FAN7688是一款高级脉冲频率调制（PFM）控制器，专为带同步整流（SR）功能的LLC谐振控制器设计，能为隔离DC/DC转换器提供一流的效率。其采用的电流模式控制技术以电荷控制为基础，结合振荡器的三角形波形和开关电流信息确定开关频率，实现了更佳的功率级控制到输出传递函数，简化了反馈环路设计，还具备输入功率限制功能。此外，闭环软启动可防止误差放大器饱和，使输出电压单调上升，不受负载条件影响。双缘跟踪自适应死区时间控制功能则能最大程度减小体二极管的导通时间，提高效率。

二、特性亮点

2.1 控制功能与响应提升

• 充电电流控制：可提高瞬态响应，简化反馈环路设计。
• 自适应同步整流控制：具有双缘跟踪功能，优化整流效率。
• 闭环软启动：确保输出电压单调上升，避免误差放大器饱和。

2.2 宽工作范围与节能特性

• 宽工作频率范围：39kHz - 690kHz，适应不同应用需求。
• 绿色功能：提高轻负载效率，降低功耗。
• 对称PWM控制：在轻载下限制开关频率，降低开关损耗。

2.3 多重保护功能

• 过流保护（OCP）：防止电流过大损坏器件。
• 输出短路保护（OSP）：应对输出短路情况，保障系统安全。
• 非零电压开关防止功能（NZS）：通过补偿削减（频率偏移）避免非零电压开关。
• 功率限制：通过补偿削减（频率偏移）限制功率。
• 过载保护（OLP）：关断延迟时间可调，增强保护灵活性。
• 过温保护（OTP）：防止器件因过热损坏。

2.4 其他特性

• 可编程死区时间：适用于初级端开关和次级端同步整流器。
• Vpp欠压锁定（UVLO）：确保在电压不足时可靠关断。
• 宽工作温度范围：-40°C到 +125°C，适应不同环境。

三、引脚配置与定义

FAN7688采用SOP16封装，各引脚具有特定功能：

• 5VB：PWM模式入口电平设置，最小频率设置引脚。
• COMP：误差放大器的输出。
• SS：软启动时间设置引脚。
• ICS：用于电流模式控制的电流信息整合引脚。
• CS：用于过流保护的电流感测。
• RDT：初级端开关和次级端SR开关的死区时间设置引脚。
• SROUT1、SROUT2：同步整流输出。
• PROUT1、PROUT2：初级端开关驱动输出。
• VDD：IC电源电压。
• GND：接地。

四、工作原理

4.1 充电电流控制

LLC谐振转换器通常采用电压模式控制，但补偿网络设计具有挑战性。FAN7688采用充电电流模式控制，将开关电流的总电荷与控制电压比较来调节开关频率。开关电流的电荷与平均输入电流成比例，通过快速内部环路实现卓越的瞬态响应。PFM块的内部时序电容（CT）充电电流取决于FMIN引脚流出的电流，时序电容电压上限确定最小开关频率。锯齿波形（VSAW）由Q1开关电流（VICS）的积分与振荡器的时序电容电压（VCT）相加生成，再与补偿电压（VCOMP）比较确定开关频率。

4.2 混合控制（PWM + PFM）

传统PFM控制在轻负载下效率较低，FAN7688采用混合控制，在轻负载时从PFM切换到PWM模式。当误差放大器电压（VCOMP）小于PWM模式阈值时，内部COMP信号被箝位，PFM切换到PWM模式。在PWM模式下，开关频率由COMP内部箝位电压固定，占空比取决于COMP电压和PWM模式阈值电压之差，从而限制轻负载下的开关频率。PWM模式阈值可通过PWMS引脚上的电阻在1.5V - 1.9V之间编程。

4.3 电流检测

FAN7688可检测瞬时开关电流和开关电流的积分。通常使用电流互感器检测初级端电流，ICS引脚根据感测电阻电压和自身电压的压差进行充放电。电流感测电压（VICS）积分的峰值与LLC谐振转换器的平均输入电流成比例，可用于SR栅极收缩、SR禁用和使能、过流限制和过流保护（OCP1）等功能。CS引脚上的瞬时开关电流感测用于非零电压开关预防和过流保护（OCP2）。

4.4 软启动和输出电压调节

在正常稳态运行中，软启动（SS）引脚连接到箝位在2.4V的误差放大器同相输入端，反馈环路在检测到的输出电压与SS引脚电压相同时运行。启动期间，内部电流源对SS电容器充电，SS引脚电压逐渐增加，输出电压也随之单调增加。SS电容器还用于过载保护（OLP）期间的关断延迟时间，当SS电容器电压达到3.6V时触发OLP。

4.5 完成保护后自动重启

FAN7688的所有保护均为非闭锁自动重启，延迟重启通过充电或放电SS电容器实现。触发保护后，禁用SS箝位电路，SS电容器先充电到4.7V，再放电到0.1V，经过三次充放电后自动恢复。

4.6 输出短路保护

当输出严重过载或短路，误差放大器的参考电压与FB电压之差大于1.2V时，立即触发输出短路保护（OSP），降低功率级功耗。

4.7 死区时间设置

通过RDT引脚调节初级端栅极驱动信号和次级端SR栅极驱动信号之间的死区时间。RDT引脚电压上升和下降时间分别决定次级端和初级端的死区时间，死区时间设置分辨率为25ns，最长和最短死区时间分别为75ns和375ns。在轻负载PWM模式下，死区时间翻倍以降低开关损耗。

4.8 最小频率设置

通过比较时序电容电压（VCT）与内部3V参考限制最小开关频率，最小开关频率由与FMIN引脚连接的电阻（RFMIN）决定，公式为 (f{SW.MIN }=100 kHz × frac{10 k Omega}{R{FMIN }}) 。数字计数器限制最小可编程开关频率为39kHz，允许的RFMIN最大值为25.5kΩ。

4.9 PWM模式入口电平设置

当COMP电压降至VCOMP.PWM以下时，PFM运行切换到PWM模式，PWM入口电平阈值可通过PWMS引脚上的电阻在1.5V - 1.9V之间编程。进入PWM模式后，禁用SR栅极驱动器。

4.10 脉冲跳变工作

当COMP电压降至VCOMP.SKIP（1.25V）以下或FB电压升至VFB.OVP1（2.65V）以上时，采用脉冲跳变工作降低开关损耗。随着COMP电压升至1.3V以上或FB电压降至VFB.OVP2（2.3V）以下，恢复开关操作。

4.11 同步整流

FAN7688使用双缘跟踪自适应栅极驱动方法预测SR电流过零瞬间。第一个跟踪电路测量SR导通时间，生成第一个自适应驱动信号；第二个跟踪电路测量关断延长时间，生成第二个自适应驱动信号。通过AND闸合两个信号获得最佳自适应栅极驱动信号。SR导通时间通过SR1DS引脚测量，检测开关转换以预测SR电流过零瞬间。

4.12 保持时间扩张功能

离线电源的保持时间受输入电压和功率限制影响。FAN7688的保持时间扩张功能可在LLC谐振转换器低于谐振操作时增加ICS引脚电压上的限流阈值。当SR导通时间在一定时间内满足特定条件时，使能或恢复限流值。

五、典型应用与性能

FAN7688适用于多种应用，如台式ATX、台式衍生服务器、刀片服务器、电信电源、智能100W - 2kW + 离线电源、高效率隔离DC - DC转换器、大屏幕显示器电源和工业电源等。在典型应用电路（LLC谐振转换器）中，相较于肖特基二极管，整流效率提高4%，在不同负载下均能达到较高的峰值效率。

六、总结

FAN7688作为一款先进的LLC谐振变换器控制器，凭借其丰富的特性和出色的性能，为隔离DC/DC转换器提供了高效、稳定的解决方案。其多种控制功能、保护机制和自适应特性，使其在不同应用场景中都能发挥出色的表现。电子工程师在设计相关电源系统时，可充分考虑FAN7688的优势，以提高系统的性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似控制器的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。