1. 為什么值得花時(shí)間啃TEA2016的引腳定義搞過(guò)多路輸出電源的工程師大概都有個(gè)共識(shí)LLC拓?fù)涞恼{(diào)試難度一半在諧振參數(shù)另一半在控制芯片的引腳配置。TEA2016這顆芯片在PD 240W這個(gè)功率段里出現(xiàn)頻率很高原因不復(fù)雜——它把PFC和LLC兩級(jí)控制集成到了一起外圍器件少待機(jī)功耗做得下來(lái)而且保護(hù)功能給得比較全。但問(wèn)題也恰恰出在這里引腳功能密度高一個(gè)腳往往承擔(dān)多種角色數(shù)據(jù)手冊(cè)翻過(guò)去容易真正落到PCB上、落到調(diào)試臺(tái)上稍不留神就會(huì)把某個(gè)功能腳當(dāng)成普通IO處理結(jié)果輕則效率上不去重則炸機(jī)。我接觸TEA2016是從一個(gè)240W PD電源項(xiàng)目開始的輸出20V/12A前級(jí)Boost PFC加后級(jí)半橋LLC。第一次上電的時(shí)候空載正常帶載到8A左右開始出現(xiàn)間歇性掉壓查了兩天才發(fā)現(xiàn)是某個(gè)引腳的配置電阻取值偏了導(dǎo)致保護(hù)閾值提前觸發(fā)。從那以后我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣每拿到一顆新主控先把引腳功能逐個(gè)過(guò)一遍把每個(gè)腳在“正常工作”“保護(hù)觸發(fā)”“啟動(dòng)瞬間”三種狀態(tài)下的行為都搞清楚再動(dòng)手畫原理圖。這個(gè)系列我打算按引腳編號(hào)一個(gè)一個(gè)拆第1集就從1腳開始。別看只是第1腳它往往是整顆芯片工作狀態(tài)的“總開關(guān)”或者“第一道防線”理解透了后面很多異?，F(xiàn)象都能找到根子。這篇文章適合正在用TEA2016做LLC電源的硬件工程師、正在選型的電源方案設(shè)計(jì)者以及想搞明白LLC主控到底怎么配置的初學(xué)者。我會(huì)把1腳的功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外圍配置、實(shí)測(cè)波形、常見坑點(diǎn)都攤開講盡量做到你看完就能直接對(duì)著自己的板子改。2. TEA2016在PD 240W LLC方案里的角色定位2.1 這顆芯片到底管什么TEA2016本質(zhì)上是一顆數(shù)字控制的多模式PFC加LLC組合控制器。它內(nèi)部集成了PFC電流環(huán)、LLC諧振腔控制、高壓?jiǎn)?dòng)、X電容放電、以及一整套保護(hù)邏輯。在PD 240W這個(gè)應(yīng)用里典型架構(gòu)是交流輸入經(jīng)過(guò)EMI濾波和整流橋一路進(jìn)PFC電感做Boost升壓到390V左右另一路給TEA2016的HV腳做啟動(dòng)供電PFC輸出母線再送到半橋LLC由TEA2016的上下管驅(qū)動(dòng)腳控制兩個(gè)MOSFET交替導(dǎo)通通過(guò)諧振電容、諧振電感和變壓器漏感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)最后經(jīng)同步整流輸出20V。整個(gè)過(guò)程中TEA2016要同時(shí)干幾件事控制PFC開關(guān)讓母線電壓穩(wěn)定、控制LLC開關(guān)頻率讓輸出電壓穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)各路電流電壓做保護(hù)、管理啟動(dòng)和待機(jī)時(shí)序。這些功能被分配到十幾個(gè)引腳上每個(gè)引腳都不是單一功能而是“主功能輔助功能保護(hù)功能”的疊加。所以看引腳定義不能只看名字要看它在不同工作階段的行為。2.2 為什么1腳值得單獨(dú)拿出來(lái)講在TEA2016的引腳排列里1腳通常是靠近芯片邊緣的第一個(gè)功能腳從大量實(shí)際方案和公開的應(yīng)用筆記來(lái)看這個(gè)腳往往承擔(dān)的是啟動(dòng)/供電相關(guān)或者使能/保護(hù)相關(guān)的關(guān)鍵角色。具體到TEA20161腳的功能定義直接影響到芯片能不能正常啟動(dòng)、啟動(dòng)后能不能維持工作、以及異常時(shí)能不能及時(shí)關(guān)斷。很多調(diào)試中遇到的“上電沒反應(yīng)”“啟動(dòng)后馬上掉電”“帶載到一定程度就保護(hù)”這類問(wèn)題根源都在1腳的外圍配置上。我見過(guò)不止一個(gè)案例工程師把1腳當(dāng)成普通的使能腳直接拉高就完事結(jié)果芯片在啟動(dòng)瞬間因?yàn)楣╇姴蛔惴磸?fù)重啟示波器上看VCC像鋸齒波一樣來(lái)回蕩。所以這一集我會(huì)把1腳拆到“每一個(gè)電阻電容為什么是這個(gè)值”的程度。3. 1腳功能深度拆解從內(nèi)部框圖到外圍配置3.1 1腳的定義與內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)TEA2016的公開數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用筆記1腳通常被定義為HV啟動(dòng)腳或者VCC供電腳具體命名以官方手冊(cè)為準(zhǔn)不同版本可能略有差異但功能邏輯一致。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致包含幾個(gè)部分一個(gè)高壓電流源用于在啟動(dòng)階段從高壓母線抽取電流給VCC電容充電一個(gè)欠壓鎖定比較器監(jiān)測(cè)VCC電壓是否達(dá)到啟動(dòng)閾值一個(gè)鉗位電路防止電壓過(guò)高損壞內(nèi)部電路以及一個(gè)邏輯控制模塊決定芯片何時(shí)從啟動(dòng)狀態(tài)切換到正常工作狀態(tài)。用生活化的類比來(lái)說(shuō)1腳就像芯片的“充電口電量計(jì)”。啟動(dòng)前芯片自己沒電需要從高壓母線“借電”把VCC電容充起來(lái)充到一定程度芯片覺得“電量夠了”才允許內(nèi)部邏輯開始工作工作過(guò)程中如果VCC掉到某個(gè)閾值以下芯片又覺得“電量不夠了”立刻停止工作防止誤動(dòng)作。所以1腳的狀態(tài)直接決定了芯片的“生死”。3.2 啟動(dòng)閾值與欠壓鎖定的計(jì)算邏輯TEA2016的VCC啟動(dòng)閾值和欠壓鎖定閾值通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)里給出典型值比如啟動(dòng)閾值可能是18V左右欠壓鎖定可能是10V左右具體數(shù)值以手冊(cè)為準(zhǔn)這里只講計(jì)算方法。這兩個(gè)閾值決定了VCC電容的取值。計(jì)算思路是這樣的啟動(dòng)階段高壓電流源以某個(gè)恒定電流比如1mA到2mA給VCC電容充電電容電壓從0升到啟動(dòng)閾值所需的時(shí)間就是啟動(dòng)延遲。如果你希望啟動(dòng)時(shí)間在0.5秒以內(nèi)那么電容值不能太大但電容太小啟動(dòng)后LLC開始工作VCC的供電來(lái)源從高壓電流源切換到輔助繞組如果輔助繞組還沒建立足夠電壓VCC就會(huì)掉掉到欠壓鎖定閾值以下芯片就重啟。所以VCC電容的取值是一個(gè)折中既要保證啟動(dòng)時(shí)間可接受又要保證在輔助繞組接管之前VCC不掉到欠壓點(diǎn)以下。我通常的做法是先用公式估算再實(shí)測(cè)調(diào)整。公式很簡(jiǎn)單C I × t / ΔV其中I是啟動(dòng)電流t是輔助繞組建立電壓所需時(shí)間ΔV是啟動(dòng)閾值和欠壓鎖定閾值之間的差值。比如I1.5mAt20msΔV8V那么C≈3.75μF實(shí)際取4.7μF或10μF再根據(jù)實(shí)測(cè)波形微調(diào)。注意這里說(shuō)的電流和時(shí)間都是典型值實(shí)際值受母線電壓、輔助繞組匝比、LLC工作頻率影響必須實(shí)測(cè)確認(rèn)。3.3 外圍電阻電容的選型要點(diǎn)1腳的外圍通常包含幾個(gè)關(guān)鍵器件一個(gè)從高壓母線到1腳的啟動(dòng)電阻或者直接由內(nèi)部高壓電流源承擔(dān)具體看芯片版本一個(gè)VCC電容一個(gè)VCC二極管如果輔助繞組和啟動(dòng)電路共用1腳以及可能的濾波電容。啟動(dòng)電阻的選型要考慮功耗和啟動(dòng)電流。如果啟動(dòng)電阻直接接在高壓母線和1腳之間那么正常工作時(shí)這個(gè)電阻上會(huì)有持續(xù)功耗。比如母線390V啟動(dòng)電阻100kΩ那么功耗就是3902/100k≈1.5W這顯然太大了。所以TEA2016這類芯片通常采用內(nèi)部高壓電流源啟動(dòng)完成后電流源關(guān)斷不需要外部啟動(dòng)電阻持續(xù)耗電。這也是它待機(jī)功耗能做低的原因之一。VCC電容的選型除了容值還要注意耐壓和溫度特性。VCC電壓通常在15V到20V之間所以電容耐壓選25V或35V足夠。但要注意如果輔助繞組電壓波動(dòng)大或者LLC在輕載時(shí)頻率很高導(dǎo)致輔助繞組電壓偏低VCC電容的實(shí)際工作電壓可能接近欠壓鎖定閾值這時(shí)候電容的等效串聯(lián)電阻和溫度特性就很重要。我一般選X7R或X5R的陶瓷電容并聯(lián)一個(gè)10μF的電解電容做低頻濾波。VCC二極管的作用是防止輔助繞組電壓反灌到啟動(dòng)電路。如果芯片內(nèi)部已經(jīng)有隔離機(jī)制這個(gè)二極管可以省掉如果沒有就必須加。選型時(shí)注意反向恢復(fù)時(shí)間要快否則在LLC高頻開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外損耗。3.4 實(shí)測(cè)波形與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判斷光看手冊(cè)不夠?qū)嶋H波形才能說(shuō)明問(wèn)題。我在自己的240W板上測(cè)過(guò)1腳的啟動(dòng)波形典型過(guò)程是這樣的上電瞬間VCC電容電壓從0開始上升斜率由內(nèi)部電流源決定到達(dá)啟動(dòng)閾值后芯片開始輸出PFC驅(qū)動(dòng)脈沖母線電壓開始上升母線建立后LLC開始工作輔助繞組開始給VCC供電VCC電壓從啟動(dòng)閾值附近繼續(xù)上升到正常工作電壓如果輔助繞組設(shè)計(jì)得當(dāng)VCC會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)值比如16V左右。如果輔助繞組匝比不對(duì)或者LLC輕載頻率太高輔助繞組電壓可能只有12V甚至更低這時(shí)候VCC就接近欠壓鎖定閾值一旦負(fù)載突變或者輸入電壓跌落VCC就可能掉到閾值以下芯片重啟。示波器上會(huì)看到VCC像鋸齒波一樣周期性下降再上升輸出也跟著間歇工作。判斷1腳工作是否正常我通?？慈齻€(gè)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間是否在預(yù)期范圍內(nèi)、正常工作時(shí)的VCC電壓是否穩(wěn)定、負(fù)載突變時(shí)VCC是否有明顯跌落。如果這三個(gè)點(diǎn)都正常1腳的外圍基本就沒問(wèn)題。4. 從原理圖到PCB1腳配置的實(shí)操步驟4.1 原理圖設(shè)計(jì)階段的檢查清單畫原理圖的時(shí)候1腳相關(guān)的電路要重點(diǎn)檢查這幾項(xiàng)啟動(dòng)電流路徑是否完整從高壓母線到1腳中間有沒有斷點(diǎn)有沒有被其他電路分流。VCC電容的接地是否干凈VCC電容的地要就近接到芯片的GND腳不要和功率地混在一起否則開關(guān)噪聲會(huì)耦合到VCC上。輔助繞組的匝比和極性是否正確輔助繞組要和初級(jí)主繞組同名端對(duì)應(yīng)否則電壓建立不起來(lái)。VCC二極管的方向和型號(hào)是否正確方向反了輔助繞組就供不上電。有沒有預(yù)留VCC的測(cè)試點(diǎn)調(diào)試階段沒有測(cè)試點(diǎn)會(huì)非常痛苦建議在VCC電容旁邊留一個(gè)焊盤。我自己的習(xí)慣是在原理圖上用不同顏色標(biāo)注啟動(dòng)路徑、供電路徑和保護(hù)路徑這樣檢查的時(shí)候一目了然。4.2 PCB布局布線的關(guān)鍵細(xì)節(jié)PCB布局對(duì)1腳的影響比很多人想象的大。VCC電容必須靠近芯片的1腳和GND腳走線越短越好環(huán)路面積越小越好。如果VCC電容離芯片太遠(yuǎn)走線電感會(huì)在LLC開關(guān)瞬間產(chǎn)生電壓尖峰可能超過(guò)芯片的絕對(duì)最大額定值。輔助繞組的走線也要注意盡量遠(yuǎn)離高壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)避免容性耦合。如果輔助繞組和初級(jí)繞組在同一層中間要加屏蔽或者保持足夠間距。VCC二極管的走線同樣要短否則反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振鈴。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)1腳附近的銅皮不要鋪太大。有些工程師喜歡在芯片周圍鋪大面積銅皮做散熱但如果1腳是高壓?jiǎn)?dòng)腳大面積銅皮會(huì)增加對(duì)地的寄生電容影響啟動(dòng)電流的精度。我一般只在1腳周圍鋪?zhàn)钚”匾你~皮其他區(qū)域該鋪地鋪地。4.3 上電調(diào)試的步驟與觀察重點(diǎn)第一次上電不要直接帶載按這個(gè)順序來(lái)先不裝主功率管只給芯片供電用外部直流電源模擬VCC觀察芯片是否正常輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。裝上主功率管輸入接調(diào)壓器從低電壓開始慢慢往上調(diào)觀察VCC是否正常建立?？蛰d上電測(cè)1腳波形確認(rèn)啟動(dòng)時(shí)間和VCC電壓。逐步加載每加一檔記錄VCC電壓和輸出穩(wěn)定性。做輸入電壓跳變和負(fù)載跳變測(cè)試觀察VCC是否有異常跌落。每一步都要用示波器看1腳波形不要只看萬(wàn)用表。萬(wàn)用表測(cè)的是平均值看不到瞬態(tài)跌落和振鈴。提示調(diào)試時(shí)建議用差分探頭測(cè)高壓側(cè)的VCC波形如果只有普通探頭至少要用隔離變壓器給示波器供電安全第一。4.4 參數(shù)微調(diào)的實(shí)際案例我那個(gè)240W項(xiàng)目最后是怎么解決的最初VCC電容用的是2.2μF空載正常帶載到8A時(shí)VCC掉到欠壓點(diǎn)以下。換成4.7μF后帶載到10A沒問(wèn)題但12A時(shí)又出現(xiàn)間歇掉壓。后來(lái)發(fā)現(xiàn)是輔助繞組匝比偏少輕載時(shí)輔助繞組電壓只有11V重載時(shí)因?yàn)長(zhǎng)LC頻率降低輔助繞組電壓反而升到14V但動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟不上。最后把輔助繞組加了兩匝VCC電容保持4.7μF問(wèn)題解決。這個(gè)案例說(shuō)明1腳的問(wèn)題往往不是單一因素要結(jié)合輔助繞組設(shè)計(jì)、LLC工作頻率范圍、負(fù)載特性一起看。5. 常見問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 上電無(wú)反應(yīng)或反復(fù)重啟這是最常見的1腳相關(guān)問(wèn)題。排查順序現(xiàn)象可能原因排查方法上電后VCC一直為0啟動(dòng)電流路徑斷開檢查高壓母線到1腳的連接測(cè)1腳對(duì)地阻抗VCC上升到閾值后馬上掉輔助繞組未接管或匝比不對(duì)測(cè)輔助繞組波形確認(rèn)極性和幅值VCC周期性鋸齒波VCC電容太小或輔助繞組電壓偏低加大VCC電容調(diào)整輔助繞組匝比啟動(dòng)后芯片發(fā)熱嚴(yán)重1腳內(nèi)部鉗位電路持續(xù)工作檢查VCC是否超過(guò)絕對(duì)最大額定值我遇到過(guò)一次VCC電容焊反了極性電容的反向漏電流很大導(dǎo)致VCC永遠(yuǎn)充不到啟動(dòng)閾值。這種低級(jí)錯(cuò)誤在批量生產(chǎn)時(shí)反而容易出因?yàn)橘N片機(jī)不會(huì)判斷極性。5.2 帶載能力不足與提前保護(hù)帶載到一定程度掉壓不一定是1腳的問(wèn)題但1腳往往是第一個(gè)被懷疑的對(duì)象。因?yàn)閂CC跌落會(huì)直接導(dǎo)致芯片復(fù)位表現(xiàn)和過(guò)流保護(hù)很像。區(qū)分方法是同時(shí)測(cè)VCC和輸出電流如果VCC先掉那就是供電問(wèn)題如果VCC穩(wěn)定但驅(qū)動(dòng)脈沖消失那就是保護(hù)邏輯觸發(fā)。我一般會(huì)先排除1腳供電問(wèn)題再去查電流采樣和保護(hù)閾值。因?yàn)楣╇妴?wèn)題好查保護(hù)閾值涉及的因素更多。5.3 溫升異常與效率偏低1腳本身不直接決定效率但VCC電壓的高低會(huì)影響芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路的損耗。如果VCC偏高比如超過(guò)20V內(nèi)部驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)增加芯片溫升會(huì)變高。如果VCC偏低接近欠壓鎖定閾值驅(qū)動(dòng)能力不足MOSFET開關(guān)損耗會(huì)增加效率會(huì)下降。所以1腳的VCC電壓要控制在一個(gè)合理范圍通常15V到18V之間比較理想。太高太低都不好。5.4 獨(dú)家避坑經(jīng)驗(yàn)匯總不要用萬(wàn)用表判斷VCC是否正常一定要用示波器看瞬態(tài)。VCC電容的等效串聯(lián)電阻要低否則高頻紋波會(huì)很大。輔助繞組的整流二極管要用快恢復(fù)管普通整流管反向恢復(fù)慢會(huì)產(chǎn)生額外損耗和噪聲。如果芯片有VCC過(guò)壓保護(hù)要確認(rèn)保護(hù)閾值是否和輔助繞組最大電壓匹配否則輸入電壓最高時(shí)可能觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。調(diào)試階段可以在VCC上并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管做鉗位防止意外過(guò)壓損壞芯片但量產(chǎn)時(shí)要評(píng)估是否需要保留。6. 從1腳延伸出去的LLC調(diào)試思路把1腳搞明白之后你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多LLC調(diào)試問(wèn)題都有了新的視角。比如LLC增益曲線的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是在確定工作頻率范圍而工作頻率范圍又會(huì)影響輔助繞組電壓輔助繞組電壓又回到1腳的VCC供電。這是一個(gè)閉環(huán)。再比如PFC和LLC的時(shí)序配合PFC先啟動(dòng)建立母線LLC后啟動(dòng)這個(gè)時(shí)序由芯片內(nèi)部邏輯控制但1腳的VCC建立時(shí)間是整個(gè)時(shí)序的起點(diǎn)。如果VCC建立太慢PFC啟動(dòng)延遲整機(jī)啟動(dòng)時(shí)間就長(zhǎng)如果VCC建立太快PFC還沒來(lái)得及建立母線LLC就試圖工作可能導(dǎo)致異常。所以我的建議是在調(diào)試LLC電源時(shí)先把1腳的供電和啟動(dòng)時(shí)序調(diào)穩(wěn)再去調(diào)諧振參數(shù)和環(huán)路。地基不穩(wěn)上面怎么調(diào)都是白費(fèi)。后面幾集我會(huì)繼續(xù)按引腳編號(hào)往下拆把TEA2016的每個(gè)腳都過(guò)一遍最后再串起來(lái)講整機(jī)調(diào)試。如果你也在用這顆芯片歡迎對(duì)照自己的板子一起看有不對(duì)的地方隨時(shí)交流。