LLC 諧振轉(zhuǎn)換器透過設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生諧振的方式，實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)元件的軟切換，能顯著的提升轉(zhuǎn)換器效率，因此廣受業(yè)界喜愛。但你是否也覺得 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償難以調(diào)整，Transient Response 太慢？系統(tǒng)頻寬太低？單純的電壓回授已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)需求，但是受限于 LLC 無法使用峰值電流模式控制，沒辦法設(shè)計(jì)更優(yōu)化的回授與補(bǔ)償器？
LLC 在運(yùn)作上使用固定 Duty 的脈沖訊號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋或半橋諧振電路，透過改變開關(guān)的頻率來改變變壓器的增益。在控制方式上，單電壓環(huán)的LLC 控制已經(jīng)是成熟的主流技術(shù)，透過比較輸出電壓與參考電壓的方式變更工作頻率，可以穩(wěn)定的運(yùn)作LLC 轉(zhuǎn)換器，但其缺點(diǎn)也十分明顯：無法及時(shí)反應(yīng)輸入電壓變化、對(duì)應(yīng)輸出電流變動(dòng)時(shí)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)電壓的響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)頻寬較低等。
為了改善上述的缺點(diǎn)，最佳的辦法就是將電流也納入控制環(huán)路中。這在學(xué)界與業(yè)界皆有相關(guān)的研究，目前的電流控制方式已經(jīng)有很多選擇。但是類比的 LLC 控制 IC 大都還是單電壓控制，或者只能實(shí)現(xiàn)其中某一種控制方式，這時(shí)便可以看到全數(shù)控制的電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢。
對(duì)于數(shù)位控制的電源轉(zhuǎn)換器來說，控制的設(shè)計(jì)上就非常靈活。我們可以透過MCU 內(nèi)部的ADC 或比較器，搭配對(duì)應(yīng)的控制演算法或MCU 外設(shè)輕易地加入任何電流控制方式，實(shí)現(xiàn)各種不同的LLC 控制拓樸，甚至可以使電源在不同的負(fù)載條件下工作在不同的控制方式。越是復(fù)雜的架構(gòu)或控制方式，就越應(yīng)該以全數(shù)位方式設(shè)計(jì)。
本文會(huì)針對(duì) LLC 架構(gòu)的各種控制方式該如何以數(shù)位方式實(shí)現(xiàn)，做詳細(xì)的介紹。
LLC 拓樸的各種控制方式
在介紹 LLC 的數(shù)位控制之前，我們可以先復(fù)習(xí)一下什么是控制。從下面這張圖可以看到一個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成的所有必要條件，而其中除了受控設(shè)備與感測功能以外，其他的均可以由 MCU 處理。
使用數(shù)位方式實(shí)現(xiàn)電源控制，我們需要透過ADC 配合采樣電路得知控制所需的回授訊號(hào)，透過程式的演算法計(jì)算出接下來的操作量，再透過MCU 外設(shè)將操作量轉(zhuǎn)換為PWM 輸出到Gate driver 來驅(qū)動(dòng)MOSFET 運(yùn)作。程式會(huì)不斷根據(jù)反饋的訊號(hào)改變輸出的操作量，讓最終的輸出被控制在設(shè)定好的目標(biāo)值上。下方的框圖顯示了一個(gè)數(shù)位控制 LLC 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。
目前 LLC 控制方式上可供參考的文獻(xiàn)或產(chǎn)品很多，有的已經(jīng)有成熟產(chǎn)品，有的還在論文研究的階段。接下來介紹幾種較常見的 LLC控制拓樸的控制方式。
- 單電壓控制 ( Single Voltage Loop Control )
這是最為常見也最簡單的控制方式。單電壓控制是將實(shí)際輸出電壓與目標(biāo)電壓的誤差輸入數(shù)位控制器，由控制器輸出周期值，再控制 PWM 輸出來控制 LLC 開關(guān)元件。
- 平均電流控制 ( Average Current Control )
透過平均取樣諧振電流iL 納入控制之中，來控制流入變壓器的電流，因?yàn)椴恍枰鹊捷斎腚妷旱淖兓磻?yīng)到輸出電壓上才做出改變，所以可以改善單電壓控制對(duì)于一次側(cè)輸入電壓變化的響應(yīng)速度。具體作法是將由單電壓控制器的輸出作為電流參考值，并取參考值與 iL 輸入電流控制器來控制 VCO。
- 充電電流控制 ( Charge Current Control )
與平均電流控制相似，但充電電流控制的對(duì)象是LLC 從輸入電壓Vin 流入LLC 轉(zhuǎn)換器的能量，有采取諧振電流與諧振電容電壓兩種方式，使用響應(yīng)較為迅速的比較器( Comparator , CMP ) 來控制變壓器能量充電至目標(biāo)值時(shí)使PWM 切換為下一個(gè)狀態(tài)。此方式較平均電流控制相比有響應(yīng)速度更快的優(yōu)點(diǎn)，透過比較器截?cái)喑潆婋娏鞯姆绞娇梢愿玫目刂戚斎肽芰?，而且?duì)于輸入電壓的變化較不敏感。
- 簡化最優(yōu)軌跡控制 ( Simplified Optimal Trajectory Control , SOTC )
一般工作時(shí)只以單電壓控制，當(dāng)偵測到負(fù)載變動(dòng)大于設(shè)定好的閾值時(shí)，SOTC 才介入控制。SOTC 會(huì)計(jì)算出目標(biāo)負(fù)載應(yīng)有的開關(guān)周期，并直接加入電壓環(huán)輸出的結(jié)果當(dāng)中。此方法在動(dòng)態(tài)負(fù)載的處理上比起只依賴控制器進(jìn)行控制的方式更快速，可以使系統(tǒng)強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)工作狀態(tài)到接近的目標(biāo)值，再由控制器接手后續(xù)的穩(wěn)態(tài)控制。
控制器的種類
在閉回路控制系統(tǒng)中，控制器的作用是將回授值與目標(biāo)值之間的誤差轉(zhuǎn)化為操作量，在 LLC 的控制上，操作量就是變壓器的工作頻率。當(dāng)控制器的輸入是 Vout 時(shí)，我們會(huì)習(xí)慣將這個(gè)回路系統(tǒng)稱為電壓環(huán)控制器 ( Voltage controller )?？刂破鞯姆N類很多，每種的特性都不相同，需要根據(jù)用途來選定。接下來會(huì)針對(duì)電源經(jīng)常使用的幾種控制器分別介紹。
- 起停式控制器 ( Bang-bang controller )
又稱為開關(guān)控制器或是遲滯 ( hysteresis ) 控制器或是，他的輸出具有 ON / OFF 兩個(gè)狀態(tài)，并具有上下兩個(gè)閥值。當(dāng)誤差值減少至下閥值時(shí)，輸出為 ON，增加頂?shù)缴祥y值時(shí)，輸出為 OFF。
起停式控制器常見于輕載 Burst mode 的控制。當(dāng)輸出電壓低于下限值時(shí)，PWM 開始工作，而當(dāng)輸出電壓增加至上限值時(shí)，PWM 停止工作。
- 比例控制器 ( Proportional controller )
比例控制器是將當(dāng)前誤差值乘以一定的比例做為控制器的輸出，可以參考上方的數(shù)學(xué)式。其中 e(t) 是當(dāng)下的誤差值， KP 是比例系數(shù)，u(t)是控制器輸出。
比例控制誤差為 0 時(shí)，輸出為 0，若要使比例控制器輸出非 0 的數(shù)值，則需要加入一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差或是偏移量。
由于沒有將舊的輸出或誤差值加入控制當(dāng)中，因此在碰到變化時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定所需的時(shí)間較長，而且穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的擺蕩較大，較少用在數(shù)位電源控制上，但可以做為初步測試時(shí)使用。
- PI 控制器 ( Proportional – Integral (PI) controller )
PI 控制器由將過去一段時(shí)間的誤差總和 ( 積分 ) 乘上一個(gè)系數(shù)加入倒比例控制器當(dāng)中，因此過去的誤差會(huì)累積并且影響到最終的輸出，如此便能有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。
PI 控制器在電源上常作為電壓或電流回授的控制器，或是其他任何需要控制的項(xiàng)目。
- PID 控制器 ( Proportional – Integral – Derivative (PID) controller )
PID 控制器在 PI 控制器上又加上了微分項(xiàng)，透過先前次誤差與當(dāng)前誤差計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)，乘上系數(shù)后加入倒 PI 控制器中。這可以使控制器能對(duì)誤差的改變作出反應(yīng)，一階導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，則系統(tǒng)的反應(yīng)也越大，這在增加控制器反應(yīng)速度上很有幫助，通常會(huì)用于電流回授的控制器使用。
- 2P2Z 控制器 ( 2-pole 2-zero controller )
在傳統(tǒng)類比電源上，由于補(bǔ)償器通常只有一處，而電源的控制系統(tǒng)可能存在多個(gè)零點(diǎn)或極點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)使用極零點(diǎn)安置法來設(shè)計(jì)硬體補(bǔ)償器控制電源。對(duì)于這樣的需求，數(shù)位電源上同樣可以透過將 s 域進(jìn)行 z 轉(zhuǎn)換的方式推導(dǎo)出 MCU 可以進(jìn)行計(jì)算的 z 域方程式，同樣的實(shí)現(xiàn)極零點(diǎn)控制。
上方便是一個(gè) 2P2Z 控制器，其中 X 是輸入，Y 是輸出，Z 表示零點(diǎn)，P 表示極點(diǎn)，a 和 b 則表示系數(shù)。2P2Z 可以用于補(bǔ)償系統(tǒng)存在 2 對(duì)極零點(diǎn)的情形，常用于當(dāng)變壓器原邊存在電流控制器時(shí)的輸出電壓控制器。
- 3P3Z 控制器 ( 3-pole 3-zero controller )
前面我們看過 2P2Z 的控制器函數(shù)，同樣的方式我們也可以推導(dǎo)出 3P3Z 的控制器函數(shù)。3P3Z 控制器常用于 LLC 的單電壓控制模式。
只有想不到，沒有做不到
對(duì)比傳統(tǒng)電源，全數(shù)位電源雖然成本高，電路也較為復(fù)雜，但是可以做到的更多，你可以使用全數(shù)位電源嘗試設(shè)計(jì)任何看起來可行的方法。比如增加一組電流回授或保護(hù)功能、輕載時(shí)與非輕載時(shí)使用完全不同的運(yùn)作方式以提升效率、或是使電源在兩倍以上額定功率的峰值負(fù)載電流時(shí)仍繼續(xù)工作一段設(shè)定好的時(shí)間…等等。
在全數(shù)位電源上，電源拓樸的運(yùn)用不再受限于IC 本身的控制模式，只要可以透過ADC 與取樣電路取得控制所需的電壓或電流值，便可以用程式撰寫控制器與演算法，實(shí)現(xiàn)任何電源拓墣或控制。
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