【《LLC谐振变换器的控制电路设计案例》4500字】

LLC谐振变换器的控制电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u32482LLC谐振变换器的控制电路设计案例 1208051.1L6599芯片简介 1189151.2L6599芯片特征 164361.3L6599引脚定义 299241.4L6599各引脚的建模及仿真 2224441.4.1RFmin引脚，CF引脚，HVG引脚和LVG引脚的建模 250641.4.2STBY引脚的建模 377841.4.3ISEN引脚，Css引脚和DELAY引脚的建模 3326051.4.4DIS引脚的建模 4248141.4.5LINE引脚的建模 5230651.4.6PFC_STOP引脚的建模 6213621.4.7Vcc引脚的建模 6157541.5芯片外围电路的设计 6119761.5.1压控震荡器模块 7303841.5.2欠压保护模块 934591.5.3软启动模块 10309991.5.4电流检测模块 11294711.6电压检测电路 11本次设计使用的控制器为L6599芯片，该芯片相比于其他控制芯片具有一定优势，发展也比较成熟，因此使用这款控制芯片能够大大降低设计难度。本章将介绍L6599芯片的主要特点，引脚定义以及功能，各引脚仿真电路以及外围电路。1.1L6599芯片简介L6599芯片是一个专门用于谐振半拓扑电路的双端控制器，其输出的两个驱动信号相差为180°，开关网路中的上下两只开关管交替地开关。虽然说两个驱动信号的占空比为50%，但是实际上要小于50%，这是为了防止直通现象的产生，因需要插入了一个死区时间，这样就能够保证在开关网路中只有在一只开关管管完全关断后，另一只开关管才会被导通，在死区时间内两只开关管均会被关断。1.2L6599芯片特征L6599芯片有如下特征：输出信号固定占空比，约为50%；工作频率上限500kHz；芯片存在有两级过流保护；能够与PFC电路相连；上电/断电顺序或欠压保护输入；单调输出电压上升为非线性软启动；用低电压下拉方式为两个栅驱动器提供了一个输出电流0.3A和灌入电流0.8A的典型峰值电流处理能力。L6599芯片会根据负载情况，运行到不同的工作模式：1.在重载，中载和轻载时，主电路的控制频率会被输出电压所影响，形成一个完整的反馈环。2.在空载或是非常轻载时，芯片会进行脉冲间歇的工作方式。当负载小到一定地步后，芯片会工作在一个可控的间歇工作状态，间歇时间的长短与负载有关。1.3L6599引脚定义L6599共有16个引脚，此篇文章中我们着重对13个引脚进行介绍与模拟。下面是对这13个引脚的简单介绍。1脚为Css脚，该引脚是软启动端，用于确定软启动时的最高频率。2脚为DELAY端，该引脚的作用为在电流过载时进行延迟关断，此引脚用于设置过载电流的最长延迟时间。3脚为CF脚，该引脚用以设定输出驱动信号的频率。4脚为RFmin脚，该引脚用以设置输出驱动信号的最低频率。5引脚为STBY引脚，该引脚确定芯片工作在哪种状态，该引脚低于1.25V，则芯片静止，高于基准电压50mV，则芯片会重新进入工作状态。6脚为ISEN脚，该引脚为电流检测信号输入端，用于过流保护。7脚为LINE脚，该引脚为对引脚上的电压进行监测，用于欠压保护。8脚为DIS脚，用于封锁驱动。9脚为PFC_STOP脚，该引脚是可以打开PFC(功率因数矫正)控制器的控制渠道。10脚为GND脚，该引脚为芯片地。芯片中所有的地都会与这个引脚连接。11脚为LVG脚，该引脚为下端门极驱动输出，用以驱动下端MOS管开断。12脚为Vcc脚，为芯片的供电引脚。15脚为HVG脚，该引脚为上端门极驱动输出引脚，用以驱动上端MOS管开断。另外13,14,16脚分别为空引脚，高端门极驱动的浮地以及高端门极驱动浮动电源，在本次设计中没有使用，故不作过多介绍。下面我们将对每一个引脚进行建模。1.4L6599各引脚的建模及仿真1.4.1RFmin引脚，CF引脚，HVG引脚和LVG引脚的建模这四个引脚组成了一个压控振荡器，实现了L6599的基本功能，即确定输出的驱动信号的频率，从输出端占空比约为50%的驱动信号。工作原理如下：芯片开始工作，RFmin引脚内部相当于有一个2V的电压源，此电压源与RFmin引脚上接的电阻相连，产生一个电流IRF，产生的电流通过受控电流源在CF引脚上产生一个电流，给电容CF充电，当CF上的电压高于1.9V时，RS触发器输出为低，打开另一个电流镜为电容C图3-1RFmin引脚，CF引脚，HVG引脚和LVG引脚电路模型图1.4.2STBY引脚的建模STBY引脚用于设置间歇工作模式，该引脚受反馈电压的限制，内部相当于有一个比较器，与该引脚的电压时刻与1.25V进行比较，当该引脚电压低于1.25V时，芯片进入静止状态，驱动无输出，振荡器被关闭。当该引脚相比于1.25V高50mV时，芯片重新开始正常工作。则该引脚可以用一个电压比较器模拟，如图3-2所示。图3-2STBY引脚电路模型图1.4.3ISEN引脚，Css引脚和DELAY引脚的建模DELAY引脚用于在电流过载时延迟关断，ISEN引脚为电流检测信号输入端，Css引脚为软启动端。根据L6599芯片的数据手册可知，这三个引脚之间是有一定关系的，因此我们在这里会一起对这三个引脚进行建模。由数据手册可知，三个引脚的大致工作原理如下：在ISEN引脚内部有两个电压比较器，因此我们现在分三种情况，当该引脚的电压小于0.8V时，代表没有过载电流，芯片正常运行；当该引脚的电压大于0.8V且小于1.5V时，会促使Css引脚上接的软启动电容Css放电，放电的速度与所连电阻有关，电阻为120Ω，当ISEN引脚上的电压大于0.8V时，会使得电容Css开始放电，并且使内部的一个恒流源被打开，恒流源为DELAY引脚充电，DELAY引脚的外围电路会对地接一电阻和电容，因此在恒流源的充电下，电压会不断升高，当其引脚上的电压上升至2V时，就会使电容Css直接接地，达到快速放电的作用，同时与PFC电路的连接引脚也会被拉低，上升至1.5V时，芯片关闭，内部电流源关闭，DELAY上所接的电容通过其上所接的电阻慢慢放电，放电速度取决于外部所接电阻的大小，直到电压低于0.3V时，芯片会重新进入工作模式；当图3-3ISEN引脚，Css引脚和DELAY引脚电路模型图1.4.4DIS引脚的建模DIS用于封锁驱动，可以用于过温保护或者过压保护，有数据手册可知，DIS引脚内部相当于有一个比较器，比较器的反相输入端接入一个1.85V的基准源，当该引脚电压比1.85V相交还高时，芯片会闭锁式关闭，只有当Vcc引脚上的电压低于UVLO门限电压之下时，芯片才会重新进入工作模式。因此如图3-4为DIS引脚建立的模型。图3-4DIS引脚电路模型图1.4.5LINE引脚的建模LINE引脚是一个检测输入电压的引脚，被用于欠压保护，通过阅读数据手册可以知道，当此引脚相较于1.25V更低时，芯片的输出会被关闭，并使得Css引脚上所接的电容使得释放，当电压相较于1.25V更高时，芯片重新进入软启动过程。该引脚的这个过程会有一些延后，如果检测出来的电压相较于1.25V更低时，内部的15μA电流源就会被打开，对软启动电容图3-5LINE引脚电路模型图1.4.6PFC_STOP引脚的建模PFC_STOP引脚与PFC电路相连，对PFC电路由控制作用。这个引脚是为了控制让PFC控制器何时停止工作而设计出来的，以达到对电路的保护作用或者实现电路间歇工作模式。该引脚被拉低有以下几个条件(满足其一即可):DIS>1.85V，ISEN>1.5V，LINE>7V，STBY<1.25V或DELAY>2V。则该引脚的模型可以入图3-6表示。图3-6PFC_STOP引脚电路模型图1.4.7Vcc引脚的建模Vcc引脚为整个芯片的供电端，并且在欠压时对电路有保护功能。通过阅读手册，该引脚上的电压至少要高于10.7V，芯片才会开启，而该引脚的电压低于8.15V时，芯片就会自行关闭。因此内部就可以包含一个RS触发器以构成UVLO滞环，RS触发器的正端输出信号为芯片内部各部分的使能信号。由上述分析以下面的模型，如图3-7所示。图3-7Vcc引脚电路模型图1.5芯片外围电路的设计本次设计的芯片外围电路主要分为四个部分，分别为压控震荡模块，欠压保护模块，软启动模块以及过流保护模块。如图3-8为整体的外围电路图。下面将对每部分进行详细讲解，并对每一部分的元件进行计算，进行仿真观察波形。图3-8,芯片外围电路1.5.1压控震荡器模块压控振荡器为L6599的主要功能，实现两个相差180°占空比约为50%的输出驱动信号。输出驱动信号的频率由RFmin引脚外界电阻以及CF引脚外界电容共同决定。如图3-9为压控振荡器外围电路。RFmin引脚接一电阻RFmin到地，接一电阻RFmax到输出电压采样电路，达到反馈控制作用，接一只缓起电阻Rss和一只缓起电容Css接地；CF引脚接一电容CF接地。电阻RFmin和电容CF与最小输出信号的频率有关，RFmax接到输出电压采样电路的输出光耦上，当输出电压发生变化时，采样电路的状态就会改变，进而通过电阻RFmax调节输出的驱动信号的频率，当光耦关断时，谐振网络电阻最大，为RFmin，输出的驱动信号频率最低fmin图3-9压控振荡器接线图下面分别为最小和最大频率的近似关系式f(3-1)f(3-2)在给定了CF后，最小工作频率和最大工作频率给定，就可以根据上述式子推导出RFmin和R(3-3)R(3-4)根据之前的计算可以知道，最小工作频率fmin=80.7kHz，最大工作频率fmaxR(3-5)R(3-6)在对压控振荡器进行仿真后可以得到一系列波形，下面将给出关键的波形图。图3-10输出驱动信号从图3-10可知，输出的两个信号驱动之间存在一个300ns的死区时间，防止直通，且输出信号的频率为80.6kHz，与理论相同。图3-11压控振荡器的振荡波形如图3-11可知，CF引脚的波形为一个标准的对称三角波。1.5.2欠压保护模块根据数据手册可知，LINE引脚为输入电压检测端，用于欠压保护，根据上文中对于LINE引脚的建模可知，当该引脚低于1.25V时，会关闭输出，并释放软启动电容，当该引脚的电压回升到1.25V时，芯片重新启动，如果该引脚的电压高于7V，芯片也会停止工作，通常让该引脚的电压在1.25V到6V之间，则该引脚的外围电路为一个分压电路，如图3-12所示。则关于开机和关机的门限，有如下公式V(3-7)V(3-8)解得R(3-9)R(3-10)其中Von，Voff分别为开机门限电压和关机门限电压。RH假设电压低于300V时，芯片启动欠压保护功能，电压回升到正常电压时，芯片重新启动。则可以计算出上端电阻与下端电阻。R(3-11)R(3-12)图3-12电压检测脚接线图1.5.3软启动模块软启动是为了防止开机涌流对电路造成损害而设计的。刚启动时，由于输出电容的初始值为零，相当于运行在短路工作状态，所以刚启动时应该高频启动，然后逐渐降低至正常工作频率。最初，软启动电容Css处于电压为0状态，光耦中的光电晶体管截止，此时，软启动电阻Rss与t(3-13)一般有如下关系R(3-14)C(3-15)通常启动频率通常为最小频率的4倍，这是根据数据手册中给出的经验公式，则f(3-16)可以算出R(3-17)C(3-18)1.5.4电流检测模块这里我们采用的是使用电容来进行分流的无损伤原电流的电流检测方法，如图3-13所示。根据上文中对于ISEN引脚的建模可知，当ISEN引脚上的电压高于0.8V时，振荡器的工作频率会迅速增加，限制能量的传输，高于1.5V时，芯片关机。根据上文的计算，一次侧的最大电流峰值为1.55A，设过流点为4A，实际取Ra和Rb的值都很小，通常取几十到几百欧姆，Ca的取值也很小，通常取Cr100或者更小。我们在这里RR(3-19)C(3-20)图3-13电流检测电路1.6电压检测电路如图3-14为本次设计的电压检测电路，电路中Vo连接到主电路的