XDPS2201 — 02 内部框图与工作原理
依据 XDPS2201 DS §3(功能描述,式 1~50)、§4 框图(图 3)、§5.5(表 26~35)。对标 TI 数据表“Detailed Description”写法:Overview → 框图走读 → 每个功能一小节 → 工作模式总表。所有公式代入 65 W 例(20 V/3.25 A,N=2.83、RShunt≈95 mΩ、Lm≈69 µH、VCr_avg≈56.6 V,推导见 03)。
本篇总结
- 混合反激的“混合”指能量双仓:每周期从母线抽的能量一部分当场进变压器、一部分先存进串联电容 Cr 再于退磁期转出——DS 图 5 给出比例:变压器 ≈(Vin−VCr)/Vin、电容 ≈VCr/Vin,低母线时 Cr 承担约六成周转。
- 控制的核心是两个磁化电平:IMAGpos(充电段峰值,CS 脚峰值电流控制)与 IMAGneg(退磁段负预磁化,LS 导通时间时序控制)。Iout = ½·N·(IMAGpos+IMAGneg)(式 5,65 W 例 1.415×(2.70−0.40)=3.25 A)——管住两个电平就管住了输出电流,与 Vin/Vout 无关,这是与“峰值电流控制的是功率”的标准反激的本质区别。
- IMAGneg 不是可调可选的“优化项”,而是 HS 管 ZVS 的门票:负磁化能量 ½·Lm·IMAGneg² 必须在死区内把中点从 0 V 摆回母线(65 W 例高母线 0.91 A → 28.5 µJ,够摆 373 V 于 ~0.4 nF 节点电容)。IC 用 ZCD 测 tLS2ZCD 逐周期闭环、并按 Vin 前馈(式 33),按 Vout 修正 tTRANS(式 11)。
- 轻载的答案不是降频而是跳谷:ZV-RVS 把峰值电流钉在近满载值,靠插入等待间隙 twaitgap(跳 1~10 个谷)拉长周期——由式 8,Iout 与 tHB/tHBex 成正比;谷数用尽进 DCM(20 kHz 频率下限),再往下进突发。
- 突发模式分四段状态机(进入/运行/自举预充电/退出),进出基于输出电流估算(帧占空比,式 41)而非仅 FB 电压;退出时给 VFB 叠加一个逐周期递减的偏置(式 43),解决“突发控制律与线性控制律坐标系不同”的切换振荡。
- 保护是三级渐近式:OCP1 lev1 125%/12 s → lev2 140%/1 s → max 160%/6 ms(自动重启),外加量程外 OCP2 600 mV 不消隐(锁存)抓饱和/短路;每级阈值随 Vin/模式实时重算(式 15/16),所以“同一个百分比的过流”在不同工况下 CS 阈值电压不同——这是数字保护与固定阈值模拟保护的根本差异。
- 供电管理自成体系:600 V HV 启动单元在启动、吸合、保护、突发睡眠四种场景以 bang-bang 方式为 VCC 后备供电,使 IC 在没有辅助绕组供电时也不会失效——保护态自供电不依赖被保护的功率级。
- 模式阶梯总表(第 11 节):CRM ↔ ZV-RVS ↔ DCM ↔ Burst ↔ Bang-bang ↔ UVOFF,六个状态的进出条件全部可从 FB/ZCD/VS/VCC 四个量推导,排障时对照即可定位停滞在哪一态。
功能模块索引
| 功能块 | 本文件 | DS 对应 | 机理概述 |
|---|---|---|---|
| 数字核 + 3.3 V VDDP 域 | §2 框图走读 | DS 图 3 | 3.3 V 域与 20 V VCC 域隔离,抗 VCC 巡游 |
| HV 启动单元(bang-bang 四角色) | §10 | DS §3.2 | 5 mA 后备供电 VCC,保护态自供电不依赖功率级 |
| 测量流 VS/CS/ZCD 三脚 | §1 | DS 图 3 | 一切阈值都是“算出来的”,不是固定比较器 |
| 输出电流控制律(式 5) | §6 | DS §3.1.1、式 1~27 | Iout=½N(IMAGpos+IMAGneg),与 Vin/Vout 解耦 |
| 负磁化与 ZVS 边界 | §4、§5 | DS §3.1.2 | ½Lm·IMAGneg²=28.5 µJ 是 HS ZVS 的门票 |
| ZVS 逐周期伺服(ΔtLSon) | §5、§9 | DS 式 33 | 用 ZCD 实测 tLS2ZCD 修正下一次 tLSon |
| CRM 六相位时序 | §4 | DS 图 6/图 7 | 充电→ZVS 传能→负磁化→ZVS 回送 |
| ZV-RVS 跳谷(轻载) | §7、§8 | DS §3.1.3、式 35/36 | 峰值不动、周期拉长 1~10 谷,降环流 |
| 突发模式状态机 | §11 | DS §3.3.4 | 帧占空比估算电流;退出加偏置渐消防振荡 |
| Vout 启动控制(数字软启动) | §12 | DS §3.3.3、式 37/38 | ZCD 初级自测 Vout,12 ms 斜坡上升、48 ms 超时 |
| 三级 OCP(125%/140%/160%) | §13 | DS §3.4、式 15/16 | 阈值随 Vin/模式实时重算,数字保护特征 |
| PDC 传播延迟补偿 | §9 | DS 式 28~31 | 高线过冲 0.92 A(34%)需反向扣掉 |
1. Overview:这是什么控制方案
对比:标准反激每周期将变压器励磁能量全部存储再全部释放,能量全部经变压器传递;混合反激每周期仅一部分能量存入变压器励磁,另一部分先存入谐振电容 Cr,放电时变压器与 Cr 共同向副边传能。好处:变压器可以更小(同频下),电流纹波更平缓;代价:需要管理 Cr 电压水平与谐振换向时序。
功率级(DS 图 4,本库翻拍):

从母线到输出:Vin → HS/LS 半桥(芯片内置驱动)→ 中点 VHB → Lr(漏感±外置电感)→ 变压器初级(Lm)→ Cr 串回 LS 源极。RShunt 采半桥电流,LAUX 经分压进 ZCD。Lr 与 Cr 构成谐振腔,由类似 LLC 的半桥驱动;但与 LLC 不同,这里磁化电感是储能主角、存在明确的“充电段”(磁化)与“传能段”(退磁)。
三个测量脚与控制律的关系(这就是“数字”的含义——一切阈值都是算出来的):
| 物理量 | 测量脚 | 参与的公式 | 用途 |
|---|---|---|---|
| Vin(母线) | VS | 式 6/15/16/28/32/50 | tmag 斜率、CS 阈值前馈、PDC、时序目标、CSSCP |
| IHB(半桥电流) | CS | 式 9/14/15~21 | 峰值电流控制、三级 OCP |
| Vout(反射电压) | ZCD | 式 7/11/34/37 | tdemag/tTRANS 修正、tZVS、数字 OVP/UVP、启动斜坡 |
2. 框图走读(DS 图 3,按信号流)

从左到右五条流:
- 能源流:HV 脚 → HV 启动单元(闭合/断开)→ VCC;供电管理模块决定它何时开(UVOFF 后、吸合 bang-bang、保护 bang-bang、突发 VCC 唤醒阈值 VVCCslpHVon=10.5 V)。数字核由内部 VDDP=3.3 V 供电——3.3 V 域与 20 V 级 VCC 域隔离,抗 VCC 大幅波动(突发/保护时 VCC 在 8.4~20.5 V 间巡游)。
- 测量流:VS(4 阈值+抖频使能)、CS(OCP1 逐周期可变阈值+OCP2 固定阈值)、ZCD(过零+谷计数+反射电压)三路 ADC/比较器数据进“混合反激模式控制”与“输出电流控制律”两个引擎。
- 控制流:FB → 突发唤醒/睡眠控制(VFBBMctrl)→ 输出电流控制律(式 12/13 映射 ISET)→ 传播延迟补偿(式 28~31)→ PWM 逻辑。模式控制器直接掌管死区 tdeadLS/tdeadHS 与 tLSon。
- 驱动流:隔离电平移位器(无芯脉冲变压器)→ HS 栅驱动(HSVCC/HSGND 悬浮域);LS 栅驱动直接由 VCC/GND 供电。两路各有 UVLO(VVCCon/off 与 VHSVCCon/VHSVCCoff)。
- 保护流:所有保护汇总为“保护模式”模块,出口两种:自动重启(tARMslp=3.0 s,式 49)或锁存(拔交流复位);另一路是 UVOFF 硬件复位(VCC<8.4 V)。看门狗覆盖一切软件死锁。
3. 混合反激为什么“储能双仓”:与标准反激/ACF 的应力对比
DS 图 5 给出储能分配与频率依赖:Energy@TR ≈ (Vin−VCr)/Vin、Energy@Cr ≈ VCr/Vin。代入 65 W 例(VCr_avg=N·Vout=56.6 V,式 4):
| 母线 | 变压器分摊 | Cr 分摊 | 含义 |
|---|---|---|---|
| 90 V(低线) | 37% | 63% | 每周期六成能量先过 Cr,变压器磁芯利用率要求最低 |
| 373 V(高线) | 85% | 15% | Cr 退居隔直/谐振角色 |
变压器为什么能小:每周期存入变压器的能量 = ½·Lm·IMAGpp² 对应的份额只有 (Vin−VCr)/Vin——低母线时不到四成,同频率下 Lm 可以比标准反激小一截(65 W 例 Lm≈69 µH,同功率 QR 反激典型 150~300 µH,本库对照估算)。 电流应力对比(本库核算,η=0.9、Pin≈72 W):
| 量 | 标准反激(VOR=100 V) | 混合反激(VOR=56.6 V,N=2.83) |
|---|---|---|
| 低线峰值初级电流 | Ip≈2·Pin/(Vin·D),D=0.53 → ≈3.0 A | IMAGpos=2.7 A(式 5/15 自洽解) |
| 磁芯双向/单向 | 单向(三角波 0→Ip) | 双向(−0.40→+2.70 A),ΔB 减半利于小磁芯 |
| 漏感能量 | 需 RCD/钳位吸收(发热) | 进 LrCr 谐振腔回收(DS 明示) |
| 次级关断 | 二极管/SR 硬关断(有振铃) | 谐振过零 ZCS |
| 输入电容 | 尺寸由保持时间/纹波决定(与拓扑无关) | 同左;高频脉冲电流峰值略低(2.7 vs 3.0 A,本库推算) |
注意:DS 并未声称输入母线电容更小——母线电容由保持时间与工频纹波决定,拓扑无关;混合反激的实测红利在变压器体积、漏感回收与开关损耗(DS §3.1 原文口径)。
4. CRM 六相位逐段走读(DS 图 6/图 7)

以低母线 90 V、满载为例(IMAGpp=2.30 A,Lm=69 µH):
- 相位 1(t1~t2,充电/磁化,HS 导通):IHB 从 −IMAGneg(−0.40 A) 线性上升,斜率 = (Vin−VCr_avg)/Lm = (90−56.6)/69 µ ≈ 0.48 A/µs,升至设定点(CS 阈值 0.257 V→2.7 A)用时 tmag = Lm·IMAGpp/(Vin−VCr) ≈ 4.74 µs(式 6)。此段 Dout 反偏、无副边传能——纯粹储能段。
- 相位 2(t2~t3,HS 关断死区):充电路径断开,磁化电流维持流动给节点电容放电,VHB 从 90 V 摆向 0;tdeadLS=150 ns 固定,正磁化能量足、摆得完 → LS 体二极管先导通(t3),此时初级电压被钳到 −VCr 侧,为 LS 零电压开通铺路。
- 相位 3(t3~t4,LS 零电压开通,传能开始):LS 在 ZVS 下开通。副边绕组电压 = Cr 电压/匝比折算,Dout 正偏,ISEC 按谐振正弦流动(周期由 LrCr 决定)。初级 IHB = 磁化 + 反射副边电流,谐振腔仍给 Cr 继续充电。
- 相位 4(t4~t5,电流反向,继续传能):谐振腔驱动 IHB 反向,能量继续输出;LS 保持导通把磁化电流拉到 IMAGneg=−0.40 A(由 tLSon=tdemag≈2.8 µs 定,式 7)——负磁化是“为下一拍 HS 的 ZVS 预充电”。
- 相位 5(t5~t6,LS 关断死区):负电流迫使 VHB 上升,直到 HS 体二极管钳位(VHB→Vin);所需时间即 tdeadHS = tLS2ZCD + tZCDfefilCRM,低线目标 650+172=822 ns(式 32)。
- 相位 6(t6~t7,HS 零电压开通):HS 开通时 VHB 已被体二极管钳在 Vin、压降为零 → ZVS;负磁化能量回送输入(
腔内多余能量回送输入,DS 原文),一周期闭合。
周期合计 ≈ 4.74+0.15+2.8+0.82 ≈ 8.5 µs → fHB ≈ 118 kHz(低线)。高母线 373 V:tmag=0.50 µs,D≈0.15,fHB≈290 kHz——频率随母线升高,与 DS 图 5 的 CRM 式频率依赖一致。
六相位一览表(低母线 90 V、满载,本库核算):
| 相位 | HS | LS | 初级电流路径与方向 | VHB | 时长(65 W 例) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 充电 | 通 | 断 | Vin→Lr→Lm→Cr→RShunt,−0.40→+2.70 A | 保持 Vin | tmag≈4.7 µs(式 6) |
| 2 死区 | 断 | 断(体二极管将通) | Lm/Cr 谐振给节点电容放电 | Vin→0 摆 | tdeadLS=150 ns |
| 3 传能起始 | 断 | 通(ZVS) | 初级反射+谐振腔给 Cr 充电,Dout 通 | 0 | — |
| 4 反向传能 | 断 | 通 | IHB 反向,能量继续输出,IMAG 拉向 −0.40 A | 0 | ≈2.8 µs(式 7) |
| 5 死区 | 断(体二极管将通) | 断 | 负磁化电流给节点电容充电 | 0→Vin 摆 | ≈822 ns(式 32) |
| 6 续磁 | 通(ZVS) | 断 | 负磁化能量回送输入 | Vin | 至撞峰值设定点 |
与标准反激时序的本质差别:反激的“关断”是纯放能;混合反激相位 3~4 期间谐振腔仍在从 Cr 取能传到副边,初级电流过零点不等于传能结束——次级电流是谐振正弦(ZCS 过零关断),这就是次级无振铃的原因。
5. ZVS 的边界条件:负磁化是“门票”
DS §3.1.2 讲了两条边界:
- 极性正确:HS→LS 换向靠正磁化(相位 1 结束时 IHB 为正);LS→HS 换向靠负磁化 IMAGneg。
- 能量足够:½·Lm·IMAGneg² ≥ ½·Cnode·Vin²(本库表达)。代入:0.5×69 µ×0.91² = 28.5 µJ,可摆的节点电容上限 = 2×28.5 µ/373² ≈ 0.41 nF;实际 Cnode(两管 Coss+变压器杂散,典型 0.1~0.3 nF,本库估算待核实)→ 裕量约 1.4~4 倍。这就是为什么 IMAGnegmaxRVS(39.5%) 比 IMAGnegnom(17.4%) 大一倍还多:高母线 ZVS 需要的负磁化能量按 Vin² 增长。
- 违反边界的下场(DS 图 8):Vout 降低而 tLSon 固定时,退磁变慢(式 7 分母 N·Vout 变小 → tdemag 变长),固定时序在 t5 开 HS 时 IMAG 仍为正、VHB 未换向 → LS 体二极管交叉导通(直通性大电流)。IC 的对策是双前馈+逐周期闭环:tTRANS 按 Vout 缩放(式 11:Vout=0 时放大到 166%×2.8 µs=4.65 µs)、IMAGneg 按 Vin 设两点目标(式 10 语境,图 20)、再用 ZCD 实测 tLS2ZCD 修正下一次 tLSon(式 33:ΔtLSon = 目标 − 实测捕获值)。ZVS 从“设计出来”变成“逐周期伺服出来”——这是数字方案相对模拟定时的核心增益。
6. 输出电流控制律:为什么 Iout 与 Vin/Vout 解耦(式 1~9 展开)
推导链(DS 原式+本库代入):
- 每周期输入能量(式 3):Pin = ½·VCr_avg·(IMAGpos−|IMAGneg|) = ½×56.6×2.30 = 65.1 W ✓(恰为 65 W 输出,自洽)。
- 反射关系(式 4):VCr_avg = N·Vout = 56.6 V——Cr 电压就是输出电压的“初级镜像”,测 Cr 电压即测 Vout(LS 导通相经 LAUX/ZCD 实现)。
- 输出电流(式 5):Iout = ½·N·(IMAGpos+IMAGneg)(IMAGneg 取负号)= 1.415×(2.70−0.40) = 3.25 A ✓。
- 控制分工:IMAGpos 由 CS 峰值控制(式 9:VCSpeak=IHBpeak·RShunt);IMAGneg 由 tLSon 时序控制(式 7:tdemag = Lm·IMAGpp/(N·Vout))。二者之和恒为 IMAGpp=2.30 A=2·Ioutnom/N——磁化电流摆幅被标称值钉死,负载变化时摆幅位置(直流分量)移动。
- 占空比关系(式 1/2):Vout = D·(Vin/N)·Lm/(Lm+Lr)。Lr≪Lm 时近似 D ≈ N·Vout/Vin:低线 90 V → D≈0.63,高线 373 V → D≈0.15。
控制律的两套实现(式 22~27,CRM 与 ZV-RVS 各一套):
- CRM(式 22/23/24):Iout = (N/2)·IMAGpos + IMAGneg(折算)——正磁化由 CS 峰值控制、负磁化由 tLSon 时序控制,两者相加即输出电流。内部目标 ISET 与 Iout 成比例(65 W 例 ISET=2.30 A ↔ Iout=3.25 A,本库按式 5/15/17 联立自洽解;DS 印刷式 ISET=(N/2)·Iout 的系数方向经数字代入验证应为 2/N,详见 00 译注 2)。式 24 IMAGpos = ISET − IMAGneg:同一个 ISET,母线越高 → 所需 IMAGneg 越大 → IMAGpos 越小——这就是“CS 峰值电流设定随 Vin 变”的来源(图 20 的前馈)。
- ZV-RVS(式 26/27):Iout = (tHB/tHBex)·[(N/2)·IMAGpos + IMAGneg];扩展周期 tHBex = tHB×(IMAGpos+IMAGneg)/ISET(式 27)——负载电流需求直接换算成周期拉长倍数,峰值电流几乎不动。30% 负载 → tHBex≈3.3×tHB≈12 µs → 跳谷 ≈(12−3.6)/1.0 ≈ 8 个(本库核算),恰在 NRVSvalmax=10 之内——配置默认值自洽;谷数顶满(10 谷,tHBex≈13~15 µs)对应约 20% 负载,之下进 DCM。
- 轻载行为(式 25):负载减到 tLSon 触底 tTRANSnom 后不再缩短,IMAGpp 恒定——CRM 段“摆幅恒定、包变稀”的机制与 ZV-RVS 无缝衔接。
50% 占空比与匝比的强耦合(本库分析):把 D ≈ N·Vout/Vin 反解:要能调节(D<1),必须 N·Vout < Vin(min)。低线 90 V、20 V 输出 → N < 4.5;默认 N=2.83 对应低线 D=0.63、留 37% 调节余量。这解释了为什么混合反激的匝比习惯只有标准反激的一半:标准反激为压低初级应力取 VOR≈100 V(N≈5),但它的充电段电压是全母线 Vin(D=VOR/(Vin+VOR)=0.53 仍可调);混合反激充电段电压是 Vin−VCr(被 Cr 分担一部分),若照搬 N=5,则 D=100/90>1——低线满载直接失调节。匝比减半的代价:次级电压应力升高(Vout+Vin(max)/N = 20+132 ≈ 152 V → 选 200 V SR),初级两管各承受全母线(373 V+裕量 → 500~650 V)。
7. ZV-RVS 八相位逐段走读(DS 图 9/图 10)

动机(DS §3.1.3):负载减小后,CRM 的循环磁化能量相对传输能量占比增大(摆幅不变、包变稀);Vout 降低时退磁期超过 LrCr 半谐振周期引发附加振荡。低输出电流下的半桥环流封死了 CRM 的效率上限。ZV-RVS 的答案:峰值电流几乎不动、周期拉长——固定峰峰磁化电流+频率折返,用跳谷把平均环流降下来。
以 30% 负载(≈1 A,目标跳 7~8 谷)为例走八相位:
- 相位 1(t0~t1,自由振荡+等待):退磁结束,两管皆关,VHB 围绕母线/0 之间自由振荡(谷间距 ≈π√(Lm·Cnode),本库按 Cnode≈0.15 nF 估算 ≈1.0 µs)。ZCD 按目标谷数计数上升沿;负载越轻目标谷数越多(最多 NRVSvalmax=10,谷数顶满对应约 20% 负载,本库核算)。
- 相位 2(t1~t2,预定义延时):检测到目标谷后延时 tZCDrefilRVS=410 ns,为 VHB 提供 ZVS 条件。
- 相位 3(t2~t3,ZVS 脉冲,LS 零电压开通):LS 短暂导通 tZVS,强制负半桥电流把变压器负向磁化——为 HS 开通再造 CRM 式 ZVS 条件。脉宽按式 34:tZVS = IMAGneg·Lm/(N·Vout)。代入低线(IMAGnegnom=0.40 A):0.49 µs → 低于 tZVSmin=600 ns 被钳到 600 ns;高线(0.91 A):1.11 µs。DS 红线:tZVSmin 必须 ≥ SR 控制器最小导通时间,否则 ZVS 脉冲期间 SR 已被触发、随后 HS 开通时直通(图 29 注意事项)。
- 相位 4(t3~t4,LS 关断死区):负电流拉高 VHB 至 HS 体二极管钳位(=CRM 相位 5),tdeadHSRVS=400 ns 固定。
- 相位 5(t4~t5,HS 导通,充电):IHB 反向后从输入取能存入变压器与 Cr,Cr 电压升高;副边反偏。
- 相位 6(t5~t6,HS 关断死区):IHB 维持流动把 VHB 拉到 0 V,形成 LS 的 ZVS 条件。
- 相位 7(t6~t7,主传能段):Dout 正偏给 Cout 充电,IMAG 退磁;叠加 LrCr 谐振纹波(Lr≪Lm,谐振周期短,表现为叠在线性斜坡上的振荡)。
- 相位 8(t7~t8,退磁尾+再振荡):退磁结束,Dout 反偏,回到相位 1 的自由振荡。
谷底跳过控制(式 35/36):目标谷数由 IMAGpos 与双阈值 IMAGposRVS(+)/RVS(−) 比较逐周期加减,迟滞 IMAGposRVShys = ⅓·IMAGposnom ≈ 0.90 A(防稳态跳动);阈值随 Vout 降低按 IMAGposRVS0V%(=75%)下移。效果(式 8/26/27):Iout ∝ tHB/tHBex——峰值不变、周期拉长,电流波形“高而稀”,导通损耗不升、开关次数减少,这就是轻载效率的来源。谷数请求达到上限 10 仍不够(电流需求更低)→ 进 DCM。
8. DCM 与模式切换
- DCM(DS §3.3.2.3):ZV-RVS 的极端延伸——等待间隙拉到 ZCD 探不到足够谷幅,ZVS 脉冲改由定时器(tstartzcdto=70 µs 上限)发起;周期拉到 tHBex 对应 FDCMmin=20 kHz 为止。此后 FB 下跌直至突发进入阈值。DCM 进入时峰值电流设定加 25% 偏置、离开时移除(构成迟滞,防模式边界振荡)。
- CRM↔ZV-RVS(§3.3.2.4):双门限——ISETCRM2RVS%=50% / ISETRVS2CRM%=70%(FB 侧),配合 ZCD 侧 0.74/0.81 V(表 19)。下行先看 FB、上行还要看 ZCD:升回 CRM 需 ZCD 反射电压够高(Vout 已建立),两个迟滞环避免边界抖动。
9. PWM 方案与关键时序公式
- CRM(式 32/33):tdeadHS = tLS2ZCD(Vin) + tZCDfefilCRM(172 ns)。目标 tLS2ZCD 两点标定:高母线 234 ns(最紧)、低母线 650 ns(最松);控制器每周期捕获实测值,ΔtLSon = 目标−捕获,负值则缩短/正值延长下次 LS 导通——负磁化自整定。
- ZV-RVS(式 34):tZVS = IMAGneg·Lm/(N·Vout)(见 §7 相位 3)。
- PDC 传播延迟补偿(式 28~31):从比较器触发到管子真正关断有 tPDC=200 ns(内部 213 ns OCP1 延迟+外部关断延时,式 29),期间电流继续上升,过冲 ΔIMAGpos = (Vin−VCr)/Lm×tPDC。代入:低线 0.48 A/µs×0.2 µs = 0.10 A(4%);高线 4.59 A/µs×0.2 µs = 0.92 A(34%!)——不补偿的话,高母线峰值电流实际比设定点高出近三成,OCP/恒流精度全部失真。IC 按式 31 把目标值反向减掉这个过冲,Lm 由式 30 从运行测量中提取。
- 频率抖动(式 44~48):仅 CRM、且 VS>1.486 V(=250 V DC,即约 177 VAC 以上)才使能。做法:调制 IMAGpos 与 IMAGneg 但保持二者之和恒定(式 44)→ Iout 不受影响(式 5 的直接推论);周期展宽目标 dJitterspread%=10%,步进一个 tMCLK=15.8 ns,每步延时 tJitterstpdel=1.3 ms 给环路整定时间。⚠️ 式 47(Δt_HBsw = 1/ΔFHBsw)的 PDF 提取形态在量纲上存疑(若 ΔF=10%×fsw,则 1/ΔF=50 µs,作为周期展宽目标不合理)——按 DS 文字口径应理解为“周期逐级展宽直到瞬时频率下移 10%”,以原文公式图形为准(存疑,待核实)。
- 为什么只在高压抖(本库推断):高母线 fsw 最高(EMI 频谱峰值最高),且此时 tLS2ZCD 目标最紧(234 ns),抖动预算小;低母线时裕量主要留给 ZVS 闭环。
10. 供电管理(DS §3.2):HV 启动单元的四种角色
VCC 的“充电宝”只有一个(HV 启动单元,5 mA typ),但按场景切换策略:
- 冷启动(§3.2.1):VCC<8.4 V 即充电,到 VVCCon=20.5 V 关断并开始 3.2 ms 硬件初始化(tHWini);brown-in 达成(tstupcheck 窗口内 VS>0.737 V)后半桥起振,直到 t3 辅助绕组自供电接管、把 VCC 稳住。
- 吸合相位 bang-bang(§3.2.2):母线未吸合时,IC 睡到 IVCCBB=0.32 mA,HV 单元把 VCC 顶回 20.5 V,醒 5.2 ms(tVSBIdet)查吸合,再睡——VCC 常驻高位,一旦吸合可立即起振(图 14 的时序细节:t1 已吸合但 IC 在睡,t2 VCC 过阈值后才检测到)。
- 保护模式 bang-bang(§3.2.3):自动重启/锁存期间同样维持 VCC 高位,重启按 tARMbase=300 ms 计数,NARMstep=10 步后重启(式 49:3.0 s)。锁存的复位=VCC 跌破 8.4 V=拔交流——复位时间取决于 CVCC 大小(DS 注意事项),CVCC 太大反而拖慢锁存恢复。
- 突发睡眠补电(§3.2.4):VCC 跌破 VVCCslpHVon=10.5 V 才开 HV 单元补电。DS 注意事项明确:稳态突发期间 VCC 应远高于 10.5 V,否则每次补电都从 600 V 母线抽电流(偏置损耗+EMI 尖刺)——这是 04 的一个陷阱。
四种场景的时序校核表(本库核算):
| 场景 | VCC 行为 | 电流 | 持续时间量级 |
|---|---|---|---|
| 冷启动充电 | 0→20.5 V 线性充 | ≈5 mA(RHV 限流后更低) | CVCC=33 µF 时 ≈0.15 s |
| 吸合等待 bang-bang | 20.5→10.5 V 缓降,<10.5 V 充回 | 睡 0.32 mA/醒 11 mA | 每轮醒 5.2 ms(tVSBIdet) |
| 保护态 bang-bang | 同上,但每 300 ms 计一步 | 睡 0.32 mA | 10 步=3.0 s 后重启 |
| 突发睡眠补电 | <10.5 V 才补 | 补电时 IHV 取决于 VAC | 帧间隙级 |
11. 突发模式四子节(DS §3.3.4)
进入(§3.3.4.1,式 39):VFB 跌破 VFBBMen=0.449 V(≈4% 负载,0.13 A @20 V)→ 停发下一个脉冲、进入睡眠(IVCCBMpsm0=0.7 mA typ)。进入后电流控制律切换为固定最小峰值 IMAGposRVS(+)+IMAGneg——即突发帧内每包都是“准满幅”。 运行(§3.3.4.2,式 40/41):帧通断由 VFBBMctrl 决定(活动相 1.60 V/睡眠相 1.55 V,小迟滞);帧内用 ZV-RVS 周期、第一谷即发 ZVS 脉冲。帧内输出电流 IoutBM = (tHB/tHBex)·½·N·(IMAGposRVS(+)+IMAGneg):第一谷时 tHBex≈4.6 µs(本库核算),IoutBM ≈ 0.78×1.415×2.30 ≈ 2.5 A;平均输出 = 帧占空比×2.5 A(式 41)——0.13 A 平均只需 5% 帧占空比。效率-纹波权衡:帧幅大→每包损耗占比低、效率高,但输出纹波大;纹波由 Cout 与帧频率(完全由 VFB 摆率决定)共同决定。 自举预充电(§3.3.4.3):长睡眠(>tBMslpthrpp=1.0 ms)后 HSVCC 已跌破 6.7 V、HS 驱动失活(HSUVOFF);恢复需先让 HSVCC>9.2 V 且等 tHSGDendel=2.3 µs。对策:帧首插入 tBMprepulse=1.3 µs 预充电脉冲,专把自举顶起来——漏掉这个设计的板子,长睡眠后第一帧“半桥只有半边”,轻则波形怪、重则炸管。 退出(§3.3.4.4,式 42/43):两条路径——快退出:负载跳变使 VFB 冲过 VFBBMfastex=1.82 V,立即全额传能(可用 ENBMfastexCRM 允许直接 CRM);慢退出:估算输出电流(帧占空比,式 41)连续 NBMexreqthr=3 帧超过 15%(0.49 A)→ 切换控制律。切换时“坐标系”不同:突发里 VFB≈1.60 V 对应的内部设定是标称点,而连续控制律里 1.60 V 对应 ISET 50%——若直接切换,等效电流阶跃会造成输出过冲。IC 的解法(式 43):给测量 VFB 叠加偏置 ΔVFBBMslwexoffs = VFBBMex−VFBBMctrl ≈ 0.582−1.60(此处为公式定义,实际按运行点),然后每半桥周期线性递减,让调节器平滑过渡到目标点——即以逐步归零的偏移量衔接两套控制律的读数差,避免切换突变。
12. Vout 启动控制(DS §3.3.3,式 37/38)
启动 = 一个初级侧自主的“数字软启动”,光耦此时还没建立:
- 校验四条件(吸合/无输入过压/FB 在调节区外/无过温),窗口 tstupcheck≈2 ms;
- 先发 tZVSst1st=7 µs 的首个 LS 脉冲给自举电容预充电(HS 还没开过);
- ZVS 脉冲长度从固定 tZVSstup 起步,随 ZCD 反射电压超过 VZCDtZVSstup=0.220 V 后自适应(式 37);启动期若连续 150 个半桥周期(NHBcyclemax)无过零 → 判输出短路(VoutSCP);
- 峰值电流设定从 OCP1lev1% 起步,随后按 ZCD 实测与目标 VZCDtarget 的差逐周期线性调,目标每 tSLWTASK=0.1 ms 抬升一级(式 38:ΔVZCDstinc = 1.3984 V×0.1/12 = 11.7 mV/步),全程限幅 ISETstmax%=140%,斜坡总时长 tstartramp=12 ms,超时 tstartto=48 ms 判启动失败;
- ZCD 越过 VZCDRVS2CRM=0.81 V 后切 CRM 时序;FB 环接管(VFB 决定的设定跌破斜坡上升设定)即宣告启动完成。
启动全程输出电压是被初级直接丈量并控制的——这是“初级侧控制+数字 OVP”体系的开端,也正是 UVP/SCP/OVP 全部挂在 ZCD 脚的原因。
启动时间预算表(65 W 例,本库核算):
| 阶段 | 时长 | 累计 | 预算上限 |
|---|---|---|---|
| HV 充电 0→20.5 V | ≈0.15 s(5 mA、33 µF) | 0.15 s | 不计(在 tstartto 外) |
| 硬件初始化 tHWini | 3.2 ms | 3.2 ms | — |
| 吸合/条件检查 tstupcheck | ≈2 ms | 5.2 ms | — |
| Vout 斜坡上升 tstartramp | 12 ms | 17.2 ms | 48 ms(tstartto) |
| FB 接管+余量 | ~5 ms | ≈22 ms | 裕量 ≈26 ms |
含义:斜坡期电流限幅 ISETstmax%=140% 与 tstartramp=12 ms 共同决定启动期输出电容的充电速度——Cout 加倍则斜坡时间加倍(式 38 的步进不变、步数翻倍),tstartto=48 ms 是 Cout 取值的硬上限(本库分析:Cout ≳ 20 V×12 ms/…,按 140% 限流反推约 ≤ 数千 µF,具体随限流余量)。
13. 保护逐个讲物理机理(DS §3.4,表 4)
| 保护 | 阈值(typ/默认) | 物理机理 | 反应 | 机理详解 |
|---|---|---|---|---|
| UVOFF | 8.4 V 下降 | VCC 不足则数字时序失控,必须整机复位 | 硬复位重启 | 与 VVCCon=20.5 V 构成宽迟滞,保护“辅助绕组未建立”的窗口 |
| HSUVOFF | 6.7 V 下降 | 悬浮域欠压则 HS 栅压不足→工作在线性区→瞬间烧管 | 禁用 HS 驱动 | 立即生效;配合突发预充电脉冲防复发 |
| BIP 吸合 | VS>0.737 V(124 V DC) | 母线太低时全负载所需峰值电流超 IMAGpos 量程 | 不启动,bang-bang 等待 | 启动请求时 2 ms 窗口内须持续满足 |
| SBOP 慢掉电 | VS<0.713 V(120 V DC) | 母线缓跌(电网塌陷)→同频下峰值电流需求线性上升直至失控 | 停机回 bang-bang | 消敏 tVSSBOPbl=44 ms 滤掉整流纹波谷(44 ms>2 个工频周期的一半,防半波跌落误触发) |
| FBOP 快掉电 | VS<0.392 V(66 V DC) | 母线骤跌(插头拔出/短路放电)→斜率补偿失效前的直通风险 | 立即停机 | 不消敏,采样周期 100 µs 级 |
| VinOVP | VS>2.270 V(382 V DC) | 母线过压→两管 vDS 超额+Cr 过压 | 自动重启 | 与压敏电阻/母线电容耐压协调布点 |
| STTOP | tstartto=48 ms | 启动期过载,Vout 始终达不到目标 | 自动重启 | 与 NHBcyclemax=150(短路)共同覆盖“开环上升失败”两档 |
| CSSCP | tHSonmax(式 50) | RShunt 短路→峰值比较器失效→HS 失控长通 | 自动重启 | 仅启动期首个 HS 脉冲激活,按 VS 实测折算限时(90 V→3.5 µs) |
| OCP1 lev1/2/max | 125%/12 s,140%/1 s,160%/6 ms | 输出过流的三级“渐近线”:越深越快 | 自动重启 | 阈值按式 15/16 随 Vin/模式重算——同一个 ISET% 在高母线下 CS 绝对值更高(含 IMAGneg 项),过流判据是电流不是电压 |
| OCP2 | 600 mV 固定/135 ns | 变压器饱和或次级整流短路→电流不受设定点控制 | 默认锁存 | 刻意放在 VCSOPmax(437 mV) 之外且 LEB 内不消隐——“设定点已失效”的硬件后备 |
| VoutOVP | ZCD 1.600 V(=22.9 V @20 V) | 光耦失效导致输出失控飞压 | 默认锁存 | 初级侧测量,不依赖光耦活着——与 FB 失效场景互补 |
| VoutUVP | ZCD 0.220 V(=3.1 V) | 输出被拉垮(深度过载后段) | 自动重启 | 突发中可用 ENBMVoutUVP 禁用(突发深睡眠时 Vout 本就在跌) |
| VoutSCP | NHBcyclemax=150 周期 | 输出短路→反射电压过低→ZCD 无过零 | 自动重启 | 仅启动期;“测不到过零”本身就是短路的征兆 |
| extOTP | NTC 7.7 kΩ 触发/51.4 kΩ 释放 | 环境过热 | 自动重启,2 次后锁存 | 电阻阈值而非电压阈值,对上拉基准漂移免疫 |
| WDOG | EVWDOG=自动重启 | 内部流程死锁 | 自动重启 | 数字平台特有:软件再乱也回得来 |
OCP 时间梯级的容差核算(表 22 推导,本库计算):三级 OCP1 的判定时长分别基于甚慢任务(tVSLWTASK=5 ms)/慢任务(tSLWTASK=0.1 ms)时钟——lev1 12 s → 11.19~12.81 s(TC_T4);lev2 1000 ms → 827~1173 ms(TC_T3);max 6 ms → 5.6~6.4 ms 量级(TC_T3)。设计含义:OCP1lev1 的 12 s 本质是“PD 短时过功率窗口”(如多口动态分配),最差 11.2 s 仍要满足安全标准对持续过流的要求;lev2/max 的 min 值(0.83 s/5.6 ms)是线路热设计输入——变压器与 SR 按这个窗口承受 140%/160% 过流(本库分析)。
14. Device Functional Modes(模式总表)
| 模式 | 进入条件 | 周期特征 | 退出条件 | 典型负载 |
|---|---|---|---|---|
| CRM | VFB>ISETCRM2RVS% 且 ZCD 侧达标 | 连续谐振、f 随 Vin 变(118~290 kHz,65 W 例) | ISET<50% 或 ZCD<0.74 V | >~50% |
| ZV-RVS | CRM 之下/谷数请求>0 | 峰值近满载+跳 1~10 谷 | 谷数顶满 10 或 ISET>70% | ~20%~50%(本库核算) |
| DCM | 谷数请求超 NRVSvalmax | 定时发起 ZVS 脉冲,f≥20 kHz | 谷数恢复<10 或进突发 | ~4%~20%(本库核算) |
| Burst | VFB<VFBBMen(≈4%) | 帧通断,帧内 ZV-RVS;帧率由 VFB 定 | 快退出 1.82 V / 慢退出 3 帧>15% | <~4% |
| Bang-bang(吸合/保护) | 母线未吸合/保护态 | 无开关,VCC 锯齿 8.4~20.5 V | 吸合达成/重启计数满 | 0 |
| UVOFF 复位态 | VCC<8.4 V | 全停,HV 单元重新充电 | VCC>VVCCon | — |
精炼要点
| 要点 | 数值 | 为什么重要 |
|---|---|---|
| 能量双仓分配 | 低线时 Cr 承担 ~63% 周转 | 变压器小一截的根源;Cr 品质直接进功率路径 |
| 控制律解耦 | Iout=½N(IMAGpos+IMAGneg)=3.25 A 恒成立 | 环路近似一阶、补偿简单;跨模式不掉控制权 |
| 负磁化=ZVS 门票 | 0.91 A→28.5 µJ≥½Cnode·V² | IMAGneg 配置点(17.4/31.6/39.5%)是 ZVS 裕量的直接旋钮 |
| ZVS 是伺服量 | ΔtLSon=目标−实测,逐周期 | 漏感散差/老化被闭环吸收;前提 ZCD 干净 |
| PDC 必须配 | 高线过冲 0.92 A≈34% | 不配则 OCP/恒流全失真;tPDC=200 ns 按管子+布线实测填 |
| 跳谷而非降频 | 峰值不动,周期×10(10 谷) | 轻载导通损耗不升;20 kHz 是听音域下限 |
| 突发进出看电流估算 | 4%进/15%出,3 帧 | 迟滞 3.75 倍,待机(<75 mW)与纹波的分界 |
| 退出偏置渐消 | ΔVFBBMslwexoffs 逐周期递减 | 两种控制律坐标系切换不打摆 |
| 保护是渐近线 | 125%/12s→140%/1s→160%/6ms→OCP2 锁存 | 覆盖“瞬态-持续-饱和”三层时间尺度 |
| 初级自测 Vout | ZCD 1.600 V=22.9 V | OVP 不依赖光耦,与 FB 失效场景互补 |
| HV 单元四角色 | 5 mA,bang-bang 维持 VCC 高位 | 保护态自供电不依赖功率级——拔辅助绕组也能活 |
| 150 谷/20 kHz/48 ms | SCP/DCM 频率下限/STTOP | 三个“超时即判死”的数字,排障先查计时器 |
上一级:XDPS2201