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MP6922 — 02 内部框图与工作原理

对标 TI “Detailed Description” 章节:Overview → 框图走读 → 逐功能机理 → Device Functional Modes。全部机理依据 MPS MP6922 Rev. 1.26 第 8~10 页 OPERATION / Light-load Latch-off / RCP 各节与电气特性表;推断与经验单独标注。

本篇总结

  1. MP6922 的本质是两路“具有调节能力的电子二极管”:体二极管先行导通(VDS≈−0.5 V)→ 探到 −70 mV 开通 → 导通期把 VDS 调节在 70 mV → 电流将反向时 +30 mV 判据+20 ns 级快关。整条链路不需要初级控制器给任何同步信号。
  2. 70 mV 调节是全片最精妙的设计:电流变小时主动把栅压往下带、让 r_DS(on) 变大,使 VDS 恒挂在 −70 mV——这样电流一过零 VDS 立刻穿 +30 mV 关断阈值,倒灌只可能有一小口,而不是等 r_DS 很小时倒灌几安才被发现。
  3. 快关断的“死区预算核算”:以 12 V/15 A、100 kHz LLC 为例,次级电流过零斜率 ≈14.8 A/µs,关断总延迟 45 ns(10 nF 栅)意味着判据触发后倒灌只多走 ≈0.7 A;若换成 300 ns 级的慢控制器就是 4.4 A——这就是特性表给 35/45 ns 的物理意义。
  4. 消隐是双向的:开通后 1 µs 内不许关(但关断阈值抬到 +100 mV 留后门)、关断后 1.6 µs 内不许开——防的是 LLC 次级振铃把比较器当琴键按。手册明文警告:CCM 下同步导通期别短于 1 µs。
  5. 轻载锁闭 TLL 有两条进入路径(导通脉宽 <T_LL 持续 120 µs;或关断期 >50 µs 的突发路径)+ 两条退出路径(体二极管“真导通” >T_LL+0.2 µs;或 VDS<−70 mV)——判断依据全是“VDS 说了算”,无需系统通信。
  6. RCP 是关断阈值之外的第二道防线:RCP 脚经分压器盯漏极尖峰,>3 V 即双通道同锁 100 µs,专治“高频 CCM 下快关断也来不及”的极端瞬态;锁闭期变换器退化为纯二极管整流,效率掉但安全(退化行为属推断)。
  7. 手册原文与特性表多处不一致(开通延迟 200 ns vs 表 150/250 ns;关断 20 ns vs 表 15/35/45 ns;消隐期关断阈值 +100 mV vs +50 mV vs 表 +30 mV)——本篇一律以电气特性表为准并逐条注明。
  8. 一个手册没明说、但机理上成立的推论:T_LL=2.2 µs 默认值隐含了频率上限——fsw 高到半周期导通 <2.2 µs 时重载也会被误判轻载,因此高频设计应选 SOIC14 调小 R_LL(详见 9.4,属推断)。

1. Overview:为什么 LLC 的 SR 比反激难一个量级

反激次级电流是三角波:斜率恒定、导通窗口宽,“体二极管先导通→开通→过零前关断”三步走几乎不会踩空。LLC 次级电流是准正弦:导通窗口窄、过零斜率大、轻载直接断流(DCM/突发),三座大山:

MP6922 的功能清单(70 mV 调节、快关断、双向消隐、TLL、RCP)就是逐条回应这三座大山。支持 DCM/CrCM/CCM 三工况(手册 §12 开篇):DCM/CrCM 下按“forward mode”控制、电流相当低时关栅;CCM 下靠“非常快的瞬态”触发关断——下面逐个拆。

先看反激与 LLC 的工况对照(为什么不能拿反激 SR 控制器硬套):

维度 反激(MP6908/NCP4307 的主场) LLC(MP6922 的主场)
次级电流形态 三角波,斜率近似恒定 准正弦,过零斜率最大
导通窗口 宽(整个去磁期) 窄(半周期的一部分,随负载收缩)
轻载行为 打嗝/跳周期,仍有清晰脉冲 断流+突发,长时间无电流
通道数 1 2(两臂交替,互为回路)
振铃环境 去磁后的漏感振铃 死区里谐振腔激励的双向振铃
最主要风险 误导通(振铃越过阈值) 倒灌/直通(关断不及时,两臂成回路)
应对重点 防误开通判据(消隐/斜率/时间窗) 快关断+轻载锁闭+反电流保护

要点:反激 SR 的投入在“别误开”,LLC SR 的投入在“及时关+轻载闭嘴”。MP6922 的功能清单全部长在后者上。

2. 框图走读(图 1,MPS MP6922 Rev.1.26 翻拍自手册)

MP6922 功能框图(MPS MP6922 Rev. 1.26 图 1,翻拍自手册)

按信号流从左到右读:

检测(左)                    判据(中)              执行(右)
VD1 ──[钳位二极管]──[Protection Switcher]──► Comparator ──┐
VS1 ──────────────────────────────────────► (ch1)       ├──► Driver1 ──► VG1
VD2 ──[钳位二极管]──[Protection Switcher]──► Comparator ──┤
VS2 ──────────────────────────────────────► (ch2)       └──► Driver2 ──► VG2
                                   Logic ◄── VDD Protection ◄── VDD
              RCP ──┐               ▲ ▲
              LL  ──┴───────────────┴─┘(EN 亦入 Logic)
                                          Driver2 输出内侧挂内部下拉电阻

3. 一个开关周期:开通 → 导通 → 关断三相位

先看官方 180 W 平台的实测波形建立直觉(12 V/15 A,220 Vac 输入,2 µs/div):

MP6922 在 180 W LLC 中的工作波形(MPS MP6922 Rev. 1.26 第 7 页,翻拍自手册)

读图:V_DS1/V_GS1 为通道 1、V_DS2/V_GS2 为通道 2。每个半周期里,V_DS 先呈现一个向下的尖谷(体二极管导通+开通延迟段),随后 V_GS 抬起、V_DS 被钳在低位(导通,70 mV 量级在 20 V/div 档位上贴着零线);两通道 V_GS 交替、中间留出间隙——那就是快关断与消隐共同守住的换向窗。半周期约 5 µs,与 100 kHz 量级的 fsw 相符(官方平台具体频率手册未标,待核实)。

符号约定(与电气特性表一致):以 VDS = VD − VS(漏减源)表述。SR 管导通时电流走“源→沟道→漏”(I_SD),故导通态 VDS 为负:VDS = −I_SD×r_DS(on)。

3.1 开通相位(Turn-on Phase)

3.2 导通相位与 70 mV 调节(Conducting Phase)——全片核心

MP6922 重载同步整流波形(MPS MP6922 Rev. 1.26 图 3,翻拍自手册)

MP6922 轻载同步整流波形(MPS MP6922 Rev. 1.26 图 4,翻拍自手册)

重载(图 3):电流大,VDS=−I×r_DS 深过 −70 mV,栅压先饱和(满驱,把导通损耗压到最低);VDS 回升到 −70 mV 后栅压才下降进入调节。轻载(图 4):电流小,栅压从不饱和,开通后立即下降进入调节——VDS 全程贴着 −70 mV。

为什么是 70 mV,而不是 40 mV(MP6908 口径)或 150 mV?(本段为设计逻辑分析,数值均手册事实)判据链是“开通 −70 mV ↔ 调节 70 mV ↔ 关断 +30 mV”三值联动:调节点必须高于关断阈值(否则电流还没小就被判关断,导通期被腰斩),又要低于体二极管平台(~500 mV,否则开通后立刻进入调节、r_DS 提前变大徒增损耗)。70 mV 把三值排成 −70/…/+30 的等距阶梯,两侧各留一倍余量;40 mV 级更省压降但要求比较器失调更小、抗噪裕量更薄(+30 mV 关断判据离它只有 70 mV);150 mV 级则白白多烧 (0.15−0.07)×I 的压降。MPS 在自家单通道用 40 mV、这颗 LLC 双通道用 70 mV——前者为反激方波大窗口优化,后者为正弦窄窗口把“可靠关断”的权重调高(此对比为跨型号归纳,属分析性推断)。

阈值纪律:V_fwd 的 55/70/85 mV(min/typ/max)是调节点;重载大电流时 85 mV max 意味着最坏 0.085 V×11.8 A≈1 W 级的“仿真压降”——仍远优于体二极管的 5.25 W(7.5 A×0.7 V)。

3.3 关断相位(Turn-off Phase)与“死区预算核算”

3.4 DCM/CrCM 与 CCM 的分工

手册 §12 开篇:DCM/CrCM 用 forward mode 控制,“电流降到相当低就关栅”(3.2 的调节机制正是实现这一功能的);CCM 则“在出现非常快的瞬态时关栅”——CCM 的电流过零更陡、换向更猛,主要靠 +30 mV 快判据 + RCP 后备保护。要点:DCM/CrCM 依赖调节环,CCM 依赖快关断(此归纳为本库对原文的解读,属表述性推断)。

3.5 三相位时序总表(设计速查)

相位 判据(VDS=VD−VS) 延迟 之后叠加 失败后果
开通 跌破 −70 mV(体二极管平台 ~−500 mV 必然先触发) T_Don 150/250 ns typ 开通消隐 ~1 µs,阈值抬 +100 mV 迟开=体二极管多承担(小损耗)
导通 调节环钉在 ~−70 mV 实时(负反馈) — 调节失灵=倒灌判据变钝(3.2 的 6 A 风险)
关断 升过 +30 mV 传播 15 ns;总 35/45 ns typ 关断消隐 1.6 µs(禁开通) 迟关=倒灌放大直至直通

三个相位的时间常数差了两个量级(250 ns → 实时 → 45 ns),不对称得很有章法:最贵的动作(关断)做得最快。把这张表和 04 篇排查流程树对照使用:VG 与 VDS 同屏时,三个相位各自的“迟到”对应不同的陷阱。

4. 逐个功能讲机理

4.1 消隐(Blanking)——把比较器的耳朵捂住一会儿

MP6922 开通与关断延迟时序(MPS MP6922 Rev. 1.26 图 2,翻拍自手册)

图 2 读图:VDS 轴从上到下 +100 mV(消隐期关断阈值)、+30 mV(正常关断阈值)、−70 mV(开通阈值);Flag 行标出 ~1 µs 开通消隐窗;三个区间依次为 Turn On Delay(由体二极管导通承担)→ Turn On Blanking → Turn Off Delay(“Driver begin to be pulled down”到“Driver turn off”)。

4.2 VD 钳位(VD Clamp)与高压 JFET

4.3 UVLO 与 EN——两道“供电门卫”

4.4 热关断(Thermal Shutdown)

结温超 150 ℃ → 栅拉低、停止开关;降到 120 ℃(迟滞 30 ℃)→ 自动恢复。迟滞的意义:防止在阈值点“开-关-开”热振荡。工程含义(推断):SR 掉线 → 导通压降从 70 mV 变 0.7 V → 损耗涨一个量级 → 更热 → 若根因不除(散热/过流),每次恢复都更糟。热关断是保险丝,不是散热方案。

4.5 供电来源:VDD 8~24 V 从哪来

手册未设供电专章;官方应用图(第 1 页与图 5)中 VDD 挂在次级侧输出网络(12 V 输出直连,U3 配 C15=2.2 µF 去耦)——输出直连是 LLC 应用下的自然选择:VDD 范围 8~24 V 正好覆盖 12 V/19 V/24 V 输出。连带后果:输出正常供电时 SR 工作,输出跌落时 SR 随之停止(突发时 VDD 随输出波动,UVLO 6 V 下限 + 去耦电容在间歇期维持供电,03 篇第 3 步算电容)。

5. 轻载锁闭(Light-load Latch-off, TLL)——专治 LLC 轻载

5.1 为什么要锁

轻载下 LLC 进 DCM/突发,次级断流。SR 控制器若继续按振铃“见缝插针”地开关:驱动损耗 Q_g×V_GS×f 白烧(45 nC×9.8 V×100 kHz×2 管 ≈ 88 mW,轻载时这是可观的一块);误开通还可能搬运倒灌。锁闭后全片进 <600 µA 档——这就是“兼容 Energy Star 与 0.5 W 待机”的实现路径(对应专利见手册注 1)。

5.2 正常路径:导通脉宽判据(§13.1)

5.3 突发路径:关断期判据(§13.2)

若同步 MOSFET 的关断期 >T_LL-OFF=50 µs(突发间歇的典型形态)→ 直接进轻载锁闭。解锁条件不同:VDS<−70 mV(体二极管开始导通的瞬间即解锁)。两条路径的差异:正常路径看“导通脉冲太窄”,突发路径看“安静得太久”——后者唤醒更敏捷(一有电流苗头就上)。V_LL-GS=1.0 V(VG−VS,特性表)是导通脉宽计数的栅压判据——“栅压超 1 V 才算真导通”(该参数由设计与表征保证,注 6)。

5.4 高频下的 TLL 陷阱(重要推论,属推断)

T_LL 默认 2.2 µs 的隐含前提:重载导通脉宽必须明显大于 2.2 µs。CCM LLC 的每管导通窗口 ≈ 半个开关周期:

所以:SOIC8/SOIC8E(T_LL 固定 2.2 µs)实际上把安全工作频率压到 ~200 kHz 以内;更高频率必须用 SOIC14 调小 R_LL(并把 03 篇第 5 步的两端约束重算)。手册未明说此约束,由 T_LL 机理与特性表数值推得——设计时务必按自己的 fsw 复核。

6. 反电流保护(RCP)——快关断的第二道防线

7. Device Functional Modes(工作模式总表)

模式 进入条件 器件行为 退出条件 电流档
正常调节(重/中载) 导通脉宽 >T_LL 70 mV 调节 + +30 mV 快关断 负载降 → 轻载路径 I_q 4 mA typ
轻载锁闭·正常路径 导通 <T_LL 持续 120 µs 栅驱动锁闭,监视体二极管 体二极管导通 >T_LL+0.2 µs ≤600 µA
轻载锁闭·突发路径 关断期 >50 µs 同上 VDS<−70 mV ≤600 µA
RCP 锁闭 RCP 脚 >3 V 双通道锁 100 µs 100 µs 到期自动恢复 正常档
VDD UVLO 睡眠 VDD<6 V typ 栅极被 10 kΩ 拉低 VDD>7 V(+1 V 迟滞) 睡眠档
EN 睡眠 EN<1.5 V typ 同上 EN>3.0 V(两级) ≤600 µA
热关断 T_J>150 ℃ 停止开关 T_J<120 ℃ —

(电流档位归属:4 mA 为正常态 I_q;600 µA 档对应轻载模式电流/关断电流,特性表口径。)

7.1 全负载行程上五套机制的接力

把 TLL、调节环、快关断、RCP、UVLO 放到负载轴上看接力关系(本节为归纳图景,判据数值均手册事实):

负载区 主导机制 其他机制的状态
重载 CCM 70 mV 调节(前半)+ +30 mV 快关断(换向) RCP 待命;TLL 远离阈值(导通 ≫T_LL)
中载 CrCM 快关断为主(过零更贴近判据) 调节环介入时间变长;TLL 开始“围观”
轻载 DCM TLL·正常路径(导通 <T_LL 持续 120 µs → 锁) 锁闭后靠体二极管判据(>2.4 µs)唤醒
突发/待机 TLL·突发路径(关断期 >50 µs → 锁) 600 µA 电流档;VDS<−70 mV 一角即醒
异常瞬态 RCP(尖峰 >3 V → 双锁 100 µs) 全负载段待命,与上述机制叠加
供电异常 UVLO/EN/热关断(栅极拉低) 与负载无关的横向保护

接力的含义:任何负载段都有且只有一个“主导机制”,排障时先判断当前工作点落在哪一格,再去查对应机制的外围(R_LL/RCP 分压/VDD),比漫无目的抓波形快得多。

8. 数值不一致清单(正文 vs 特性表,一律以表为准)

MP6922 手册正文与电气特性表存在四处不一致(00 篇译注 2 逐条核对过 PDF 词坐标)。读数规则:以电气特性表为准,正文仅作定性理解:

# 参数 正文/特性栏口径 电气特性表 本库采用 影响
1 开通延迟 正文“200 ns” 150 ns typ(5 nF)/250 ns(10 nF) 表值 体二极管承担延迟段的损耗估算:用 150/250 ns 才与栅负载挂钩
2 关断延迟 特性栏与正文“20 ns” 传播 15 ns;总延迟 35 ns(5 nF)/45 ns(10 nF) 表值 “20 ns”应理解为无重载传播级口径;带载设计用 35/45 ns 算倒灌窗
3 开通消隐期关断阈值 §12.1/图 2:“+100 mV”;§12.6:“0 mV→+50 mV” 关断阈值 −30 mV(即 VDS +30 mV) 消隐期阈值取 +100 mV(§12.1+图 2 自洽),正常关断阈值取 +30 mV(表) 消隐期判据抬高 ~3 倍:此期间触发关断更迟、更慢——1 µs 红线的根源
4 导通相位括注关断阈值 §12.7 括注“0 mV” −30 mV(VDS +30 mV) 表值 3.2 节倒灌判据(30 mV/r_DS)的计算基准

规律:所有冲突都发生在“延迟与阈值”两处,方向一致——正文数字偏乐观。做保护预算、写自动化测试判据时引用表值;写技术报告时注明口径差异即可。

9. 温度特性与全温区表现

五幅温度曲线(−50~+150 ℃)在 01 篇第 6 节逐条列了设计含义,从工作原理视角再归拢成两句:

精炼要点

要点 数值 为什么重要
三阈值一套体系 −70 mV 开 / 70 mV 调节 / +30 mV 关 全部判据出自 VD-VS 一对差分脚
调节环=提前养大 r_DS 过零判据倒灌 1 A vs 满驱 6 A 70 mV 调节不是效率特性,是关断可靠性特性
死区倒灌预算 14.8 A/µs×45 ns≈0.67 A 慢 300 ns 的控制器=4.4 A 倒灌
消隐双向 开 1 µs(阈值抬 +100 mV)、关 1.6 µs 防振铃误触发;CCM 同步期勿 <1 µs(手册明文)
TLL 双进双出 <2.2 µs×120 µs 进;>2.4 µs 体二极管出 / VDS<−70 mV 出 判据全自治,无需系统通信
TLL 隐含频率上限 2.2 µs ↔ ~200 kHz(推断) 高频必选 SOIC14 调 R_LL
RCP 后备保护 3 V / 100 µs / 双通道同锁 快关断也来不及应对的 CCM 瞬态由它处理
数值不一致以表为准 200 ns→150/250 ns;20 ns→15/35/45 ns 手册笔误清单见 00 篇译注 2

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