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谈谈使用模拟和数字方式实现LLC的TI控制方案

Other Parts Discussed in Thread: UCD3138, UCC27424

         在TI技术论坛中,看到一个关于LLC控制方面的帖子,楼主寻找LLC的控制方案。需要能够做到400W以上的输出功率。楼主的帖子链接如下所示:

http://www.deyisupport.com/question_answer/analog/power_management/f/24/t/1982.aspx

          TI FAE: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。

           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。

          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:

            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。

           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

             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,就是前面所提到的UCC25600UCC25600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:

             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。

              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。

           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。

           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。

             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。

              UCD3138的外部结构图应用如下所示:

          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。

         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:

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           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:

            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。

           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。

  • 模拟控制与数字控制还有个区别需要提一下:就是模拟芯片为了驱动方便,很多就把芯片放在原边。而数字芯片呢,为了采样控制方便,通常放在副边。而有些情况,像均流,如果控制芯片放在原边,就必须用线性光耦,劣势就很明显了。