使用模拟和数字方式实现LLC的TI控制方案
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2024-11-21 08:50 编辑<p>分享一篇有关LLC电源控制问题</p>
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<p> TI FAE:Jerry Chen<a data-di-id="di-id-1471c857-666d351e" href="https://e2echina.ti.com/members/1818729/default.aspx"> </a>推荐的一款解决方案，就是TI的UCC25600。关于LLC的实现方案，总的来说，现在有两种趋势，一方面就是各种模拟控制芯片。另外的就是数字控制方案了，这些TI都有相应的推荐方案。</p>
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<p> 下面我们来看看实现LLC控制的的这两种策略。在这之前，需要先了解下LLC电路有什么优势，以及我们为什么需要要采用这种控制策略。其实在LLC电路出现以前，我们使用的最多的就是各种硬开关拓扑结构，像正激电路，反激电路，以及相同的半桥全桥电路。由于这些电路基本上都是硬开关的电路。所以带来的问题也是相当多了，例如开关损耗大，热设计困难，从而导致一系列的散热问题。还有就是由于是硬开关，导致的开关噪声非常大，从而导致EMI干扰也大，带来的问题就是需要使用很多的滤波器去做EMI，成本严重超标。近些年随着谐振控制的盛行，主流的大功率DCDC拓扑都会选用LLC，甚至小功率电路上应用也很多，有逐步取代有源钳位等趋势，优势不言而喻，高效，好的源效应、负载效应，EMC方面的出色表现等等。LLC的这些优点基本上解决了由于硬开关电路带来的一系列问题，也大大的降低了整体的设计成本。</p>
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<p> 我们先来大概了解一下LLC电路的工作原理，看看LLC电路时如何去实现控制的，也了解一下LLC电路对于控制芯片有哪些方面的要求，如下图所示，是LLC电路的基本结构：</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-3fd7d192" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/4721._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-d13454c5" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/6012._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 从上图中，我们可以看出来LLC控制必须是有两个L,一个C，也就是谐振电感，励磁电感和一个谐振电容。LLC谐振的工作原理和以前的PWM控制有很大的区别，就是他是PFM控制，也就是通过控制LLC的工作频率，来实现输出电压的稳定性的。而LLC的占空比基本上是保持在50%不变的。通过调整Lr,Cr组成的谐振腔的阻抗，也实现输出电压的稳定调节。</p>
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<p> 上面说了这么多，相信大家对LLC的控制电路基本上有了一定的了解了。那么我们来看看，LLC的控制IC有哪些呢。看下下面的图</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-b82fd92f" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/2538._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 相信你明白了各个大厂对于LLC的设计都有比较成熟的设计方案了。我们以前用的最多的就是ST的L6599了。ICE1HS01G 死区时间太大，影响效率，也不能通过死区时间做 PWM 控制。在这里，我要推荐一下TI的LLC解决方案，就是Jerry Chen 前面所提到的UCC25600。UCC25600相比于以上的哪些设计方案，有着更加明显的优势，首先就是封装尺寸小。如下图所示：</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-e5c1ea9c" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/5584._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> UCC25600只有8脚的SOIC封装，相对于L6599等有着16脚封装的IC，其简洁的优势，以及极具竞争力的成本优势就不言而喻了。更为关键的是UCC25600的高性能表现，绝对超出你的想象。简单8个引脚，就实现了SS开机软启动，DT可以简单的实现死区时间的自由设置。而GD1，GD2通过一个驱动变压器来控制LLC的上下管的驱动，简单可靠，成本低。UCC25600还具有最低频率限制，以及最高频率的控制功能。仅仅只需要简单的去设计一下RT脚的两个电阻就可以了。最后UCC25600还具有短路保护功能呢，其控制策略和我们常用的L6599完全一样。具体设计完全可以参考下面的电路。</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-ae61ec2b" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/8547._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 设计完了外围电路，接下来我们就需要考虑设计环路部分了。其实LLC的环路部分的设计和其他的正激，反激等硬开关电路本质上都是一样的。在输出部分用运放或者431完成采样就可以了。我们需要注意就是反馈部分的两个电阻的计算，其直接决定着LLC工作的最高频率和最低频率，一定要谨慎计算。说一下轻载的工作模式，其频率范围为50kHz~350kHz，大于350kHz则进入BURST MODE。由于实际设计时也可以在空载或者轻载时需要用PWM方式调节或者进入BURST MODE。</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-9d2ecdb1-655e314f" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/1425._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 到这里，使用模拟芯片UCC25600设计的LLC电路就基本上完成了，接下来的就需要详细的计算LLC变压器，谐振电感，谐振电容等相关的参数了。这个很多资料都有详细的介绍，在这里就不详细说了。在UCC25600的相关设计资料中也有着方面的介绍，有需要的可以去看看。</p>
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<p> 说完了模拟控制的方案，接下来的就谈谈TI数字控制方面的实现方法了。在数字控制方面，TI有着无可比拟的优势。以前最早使用的都是基于TI的C2000数字平台，这个平台现在已经比较成熟了。但是有个缺点，就是控制比较复杂，而且实现的成本也比较高，对于一般的电源来说，有点杀鸡用牛刀的感觉了。在这里我要推荐另外一款数字化的平台方案了，就是UCD3138了。</p>
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<p> UCD3138几乎支持所有隔离式电源拓扑：单相位、双相位交错式或无桥功率因数校正、硬开关全桥、相移全桥、共振 LLC 以及其它拓扑;集成所有基本保护特性：可实施峰值电流模式控制、逐周期峰值电流限制、高速输入电压前反馈以及过压、过流及过温保护等;而且内置硬件环路系统，此环路由一个专用误差模数转换器(EADC)、一个基于2 极- 2 零数字补偿器的PID 和具 有250ps 脉宽分辨率的DPWM 输出组成。极大的提高了电源的动态响应速度，此外在价格上面也很有优势。调试起来也相当的简单。LLC用 UCD3138实现LLC起来就是正合适不过了。无论是在成本上，还是在控制的灵活度上都有模拟芯片无可比拟的优势。对于后期的升级更是拿手好戏了。</p>
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<p> UCD3138的外部结构图应用如下所示：</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-b92a6832-a437218b" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/8662._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 如上图所示，这是一款40PIN的UCD3138的LLC设计电路，从上图中我们可以看到，整个电路分为三大部分，分别为，LLC驱动电路，这里需要增加驱动芯片。电流环，电压环的采样部分。再就是各种电压，电流的采样，需要做保护的话，可以充分利用这些管脚。</p>
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<p> 这里先说说驱动部分的设计了，这里同样需要用到驱动变压器的。由于UCD3138是3.3V的数字芯片，其PWM脚的驱动能力极为有限，不可能去驱动一个驱动变压器的，这里就需要用到驱动芯片了，实现数字模拟的转换，同时可以极大的增加驱动能力。可靠性更好。推荐一款TI的驱动芯片UCC27424.其典型的应用连接图如下所示：</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-b92a6832-96d8e8a0" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/7585._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 设计完了以上部分，一款数字控制的LLC电源就基本完成了，其他的诸如短路保护，过流保护，以及环路反馈等，同前面的模拟控制的方式如出一辙，基本上都可以借用了。到这里，就差不多了，接下来，只要能够完成你的PCB就算是大功告成了。不过说到PCB，这里还是需要提醒一下大家，UCD3138对于PCB布板还是有一定的要求的。具体的如下所示：</p>
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<div style="text-align: center;"><a data-di-id="di-id-b92a6832-9ea3874f" href="https://e2echina.ti.com/cfs-file.ashx/__key/communityserver-discussions-components-files/24/3731._E06507689898_.jpg"></a></div>
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<p> 其实以上PCB布板的方法，说到底就是一个数字地，与模拟地的分割问题。看起来很麻烦，只要你理解通了，其实也是蛮简单的，这个具体的方法，在UCD3138规格书的第5条有详细的介绍，这里就不多说了。</p>
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<p> 总的来说，LLC电路的实现，无论是模拟方式还是数字的方式,TI都有完美的解决方案。使用模拟方案的话，成本较低，但是调试起来很费劲，灵活度不够，后期升级也困难。使用数字方式的话，调试灵活，升级方便，但是成本也相对的要高一些。看大家怎么选择了。</p>
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