VMC和CMC的LLC控制器仿真对比 第四节 Ti UCC25640x 混合滞回控制

前言:本文仿真模型基于SIMPLIS  8.0仿真环境。

之前推送的文章已经讲完了NCP1399,FAN7688,L6599这些电流和电压模式LLC控制的仿真模型建立过程。

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  1. VMC和CMC的LLC控制器仿真对比 第一节  NCP1399的数字振荡器实现

  2. VMC和CMC的LLC控制器仿真对比 第二节  NCP1399和L6599控制模型实现

  3. VMC和CMC的LLC控制器仿真对比 第三节  FAN7688控制模型实现

下文将讲述Ti推出的电流模式LLC控制器UCC25640x系列,这种原理Ti称为Hybrid Hysteretic Control (混合滞回控制),是直接控制每个周期流入谐振电容的功率,进而等同于直接控制输出功率。控制器输出VTH和VTL两个信号与谐振电容的取样电压进行比较,谐振电容两端的电压表示了输出功率和母线电压的情况,所以可以被当作是输入电流控制。开关管驱动在VTL~ VTH之间输出高或低,进而通过调整VTH和VTL之间的差值,可以控制驱动导通时间长度,实现频率调整的目的,可见下图所示:

Hybrid Hysteretic Control 原理说明:

UCC25640X使用了一种新颖的控制原理,即混合滞回控制(HHC),实现了同类中最好的负载和母线电压瞬态性能。这种控制方法使得补偿器更容易设计,也让轻负载管理更容易和高效率。由于在LLC的控制原理上改善了负载和母线电压瞬态性能,可以让用户减少输母线和输出电容,进而降低成本和体积。

HHC控制是把传统频率控制和电荷控制(NCP1399)结合起来的方法。它是在电荷控制基础上增加了频率斜坡补偿,比较传统频率控制方法。它把功率级传递函数由2阶系统变为1阶,所以它的补偿器尤其容易设计。它的控制量直接与输入电流相关,所以在同类中负载和输入母线瞬态最优。比较电荷控制方法,混合迟滞控制通过增加频率斜率补偿来避免不稳定。频率斜率补偿有助于系统稳定,也使得系统输出阻抗更低。低输出阻抗使得瞬态响应性能优于电荷控制。频率补偿还使得burst mode的soft-on and soft-off更容易实现,因为改变控制变量能直接影响开关频率。总之HHC控制方法解决了如下几个问题:

  1. 帮助LLC变换器实现同类最好的负载和母线电压瞬态性能。

  2. 将小信号传递函数改变为1阶系统,容易设计补偿器,也容易实现高带宽。

  3. 频率补偿有助于提升稳定性。

  4. Burst更容易控制,可以优化轻负载效率。

  5. Burst的soft-on and soft-off更容易实现,降低了可闻噪音。

下图展示了HHC在UCC25640X的具体实现:需要一个电容分压器和控制器内部的两个受控电流源。谐振电容的电压被电容分压后衰减,驱动信号控制两个受控电流源。当高端驱动为H时,高端电流源会注入恒定电流到分入分压电容器。当低端驱动为H时,低端电流源会从电容分压器中拉出同样大小的恒定电流。这两个电流源对电容分压器的电压VCR上叠加了一个等腰三角斜坡。

在控制器内部这两个电流源都是由基准电源AVDD提供,因此AVDD要大于或等于共模电压VCM的两倍。因为在VCR上叠加了三角斜坡电流,所以VCR的节点电压是被两个控制量的共同影响。如果频率补偿斜坡在VCR中占主要比例,则VCR的节点电压看起来像三角波,此时等同于频率控制(这里和FAN7688很像,在轻负载时谐振电流较低时让系统工作在电压控制模式)。 

如果谐振电容的电压占主要比例,VCR的节点电压看起来更像是实际的谐振电容电压,此时控制上接近电荷控制。综合上文,这就是为什么把控制方法称之为“混合”和斜坡补偿称之为频率补偿的原因。

此种电路设置具有内在的负反馈,可保持高低端的ON-TIME平衡,也保持了VCR的节点的共模电压在VCM。这种新控制方法需要两个信号输入,分别是VCR和VCOMP。VCR是谐振电容的的电压采样和频率补偿的叠加,VCOMP是电压环的补偿器的输出。下图展示了高低端开关驱动信号是如何受到VCR和VCOMP控制的。基于VCOMP和VCM(3V),存在两个阈值电压VTH和VTL。

VCR的电压与两个阈值电压比较,当VCR > VTH,关断高端驱动;当VCR < VTL,关闭低端开关,自适应死区时间电路能控制HO和LO的开启边沿的延迟。到此,已经把HHC的控制原理讲清楚,下面开始搭建仿真模型。

谐振电容电压采样

同样要对谐振电容采样电路进行一定的修改才能适用于全桥LLC变换器,这里我使用了压控电压源E1为谐振电容电压采样并做200倍衰减。由于全桥LLC谐振电容是以0V为中心点,所以就无需在半桥LLC上使用两个电容分压得到正负对称的波形,在这里使用压控电压源直接搞定谐振电容电压采样,可见下图所示。

频率斜坡补偿

按照文档的要求,内部电流源对外部的电容随着驱动波形进行恒定的电流充电和放电,示意图可见下图:

我本来是准备用门,比较器,开关来搭这个模型,但是仔细一想这个功能不和L6599的VCO一个道理吗,只是换了一种说法。L6599在驱动开通时给外部电容充电,在驱动关闭时给外部电容放电,简直和这里的应用是一模一样。只是在UCC25640X中,这个电流是固定的,是用来在轻负载工作的,所以设置VCO的三角波频率要比正常工作频率高一倍即可。这里直接把R11减少一倍,设置VCO频率为170KHz。模型可见:

VCOMP和VHT和VLT两个对称的阈值电压产生

在IC内部是使用差分放大器来实现对VCOMP进行正负操作,但是在仿真环境就无需这么麻烦,直接使用压控电压源E2,E3得到两个正负对称的阈值电压:

PWM产生:

得到VHT和VLT,也得到了VCR后,进行HHC控制所需的两个信号已经准备就绪,下面就是把VCR和两个阈值电压进行比较得到PWM信号即可。在UCC25640X中这里使用了两个RS触发器,因为它要调整死区时间,而我只需一个就可以实现PWM输出功能。

当VCR电压低于VTL发出高电平到RS的置位,Q输出高,用于开启高端开关,此时QN为低。当高端开关导通,谐振电流流入使得谐振电容的电压由负变为正,而且当VCR高于VTH时,比较器发出高到RS的复位,用于关闭高端开关,此时QN变高,开始负向周期。另外半个周期,RS触发器和比较器的工作道理一致,不再累述。到此就搭建好了HHC的仿真模型,可见:

运行结果:

控制电路:中间波形就是VTL,VCR,VTH,可以很明显的看到两个切割点和PWM开关逻辑。

功率运行: 420V,6600W。

频率控制到输出的传递函数呈现一阶特性,确实很容易控制。

小结:本文展示了HHC的仿真模型建模过程,经测试能正常运行。后面将分析四种控制器在频域上性能对比,敬请期待,感谢。

 

参考文档: UCC25640X 数据手册,TI官网。

因为个人能力有限,如果上文中有错误恳请在公众号对话框留言帮忙指正,万分感谢。

小彩蛋:

 

end~~

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