VMC和CMC的LLC控制器仿真對(duì)比

控制器的 AC對(duì)比

備注：本文所有控制器的環(huán)路對(duì)比都建立在功率級(jí)相同的工況下。

電壓模式控制器通常是使用運(yùn)算放大器的輸出電壓直接控制開關(guān)頻率，在這種控制方法的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)尤其復(fù)雜，因?yàn)殡妷耗Ｊ娇刂频念l率響應(yīng)包括四個(gè)極點(diǎn)，而且極點(diǎn)的位置還會(huì)隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化。

下面是L6599控制的LLC的的頻率控制到輸出電壓的頻率響應(yīng)掃描，此時(shí)系統(tǒng)工作在低于諧振時(shí)：

從掃描得到的bode圖來看，電壓控制模式的LLC變換器在低頻1.4KHz處存在雙極點(diǎn)引起的增益尖峰和負(fù)180deg的相位劇烈變化。僅從低頻區(qū)域的圖形來看，倒是和電壓控制模式的BUCK變換器的占空比到輸出電壓的波形很相識(shí)。因此也可以參考VMC的BUCK的補(bǔ)償方法，主要是通過避開影響的方式，讓系統(tǒng)工作在低帶寬，使系統(tǒng)更容易穩(wěn)定。具體實(shí)施方法為：

1. 在原點(diǎn)處放置一個(gè)極點(diǎn)來獲得高DC增益。
2. 在雙極點(diǎn)頻率上放一對(duì)零點(diǎn)。
3. 放一個(gè)極點(diǎn)補(bǔ)償ESR零點(diǎn)。
4. 高頻極點(diǎn)放在較高頻率處限制高頻噪音。
5. 調(diào)整零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置來選擇系統(tǒng)穿越頻率和相位提升大小，最好是低5-10倍的雙極點(diǎn)頻率。

但是就真的沒有辦法提升LLC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能了嗎，很久以前就有人考慮使用變壓器里面的諧振電流做平均電流模式控制。這種辦法能提升負(fù)載動(dòng)態(tài)水平，因?yàn)閮?nèi)環(huán)直接控制了諧振槽的電流平均值，雖然沒有直接控制每個(gè)開關(guān)周期的輸入電流，但是間接也控制了輸入功率。

第二種辦法就是通過檢測(cè)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的流入諧振槽的電荷來進(jìn)行頻率控制，這種辦法是通過檢查諧振電容上的電壓，在開關(guān)開始到開關(guān)結(jié)束時(shí)的電荷總量，根據(jù)輸入電流的積分來進(jìn)行輸入電流控制。但是這種控制方法在滿負(fù)載時(shí)很好控制，但是負(fù)載較輕時(shí)確實(shí)也很麻煩。

從控制的角度來看，只要是能直接或間接的控制輸入變換器的功率就能提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 在fuu前輩的指引下 ，我們提出了一種控制流入輸出電容的紋波電流做快速電流內(nèi)環(huán)方法，外環(huán)使用低帶寬電壓環(huán)，通過雙閉環(huán)的方法來提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)的電流既然代表了輸入側(cè)的諧振電流的大小，也能反映出輸出負(fù)載電流的水平。其模型可見下圖，內(nèi)環(huán)直接控制L6599的頻率，外部電壓環(huán)我沒加，使用了一個(gè)直流電壓給定來控制輸出電壓。

從電流內(nèi)環(huán)給定到輸出電壓的頻率響應(yīng)掃描:

可以看到對(duì)比L6599的直接頻率控制方法，在同樣的功率級(jí)參數(shù)下1.4KHz處出現(xiàn)的雙極點(diǎn)增益峰值已經(jīng)消失，在整個(gè)低頻范圍增益和相位曲線都顯現(xiàn)為一階系統(tǒng)的圖形。僅在50KHz再次出現(xiàn)了高增益峰，但是這里可以在控制環(huán)上放極點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行抑制。對(duì)我們閉環(huán)控制所希望的低頻段曲線確實(shí)有非常大的改善，使用這個(gè)曲線來做控制，應(yīng)該能得到非常好動(dòng)態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。

下圖是NCP1399的頻率控制到輸出電壓的頻率響應(yīng)，和上面使用了電流內(nèi)環(huán)的控制方法圖形接近，低頻從30dB開始，有非常高的DC增益。相位從0deg開始相位移，在整個(gè)低頻范圍內(nèi)都都顯現(xiàn)一階系統(tǒng)的特性，僅在50KHZ出出現(xiàn)了增益峰值，處理辦法可以見上文。使用電流模式控制后，確實(shí)大幅度的提升了系統(tǒng)的帶寬，真是個(gè)好東西。

下圖是FAN7688 的頻率控制到輸出電壓的頻率響應(yīng)，低頻從30dB開始，有非常高的DC增益。相位從0deg開始相位移，在整個(gè)低頻范圍內(nèi)都都顯現(xiàn)一階系統(tǒng)的特性。但是不同的地方是在20KHZ出現(xiàn)了變化，相位劇烈的變化，可能小信號(hào)模型在高頻處與上面幾個(gè)有些不同，但是不妨礙低頻段的優(yōu)秀性能。

下圖是UCC25640X的頻率控制到輸出電壓的頻率響應(yīng)，低頻從30dB開始，有非常高的DC增益。相位從0deg開始相位移，在整個(gè)低頻范圍內(nèi)都都顯現(xiàn)一階系統(tǒng)的特性。僅在50KHZ出出現(xiàn)了增益峰值，處理辦法可以見上文。

小結(jié)：

經(jīng)過一系列的對(duì)比測(cè)試來看，在模擬控制領(lǐng)域可以說LLC的電流模式控制器出現(xiàn)。游戲規(guī)則已經(jīng)被改變，在性能上大幅度領(lǐng)先傳統(tǒng)的電壓模式控制。隨著市場(chǎng)應(yīng)用的不斷成熟，電流模式的LLC控制器必然出貨量會(huì)越來越大，讓我們期待那一天的來臨。

但是在數(shù)字控制領(lǐng)域來說，電壓模式的直接頻率控制似乎還會(huì)繼續(xù)下去。主要原因是LLC的峰值電流控制在DSP中很難實(shí)現(xiàn)，也許后面會(huì)出現(xiàn)針對(duì)這個(gè)控制方法外設(shè)，但是目前階段還是有諸多不便。但是對(duì)數(shù)字控制來的有點(diǎn)來說，主要是靈活，其實(shí)還有是辦法想一想的。上文講到的fuu大大提出的辦法，引入輸出電容的電流做內(nèi)環(huán)，既可以把諧振槽的平均輸入功率做控制，還可以引入反應(yīng)負(fù)載電流變化的前饋。經(jīng)過測(cè)試確實(shí)可以明顯的提升控制到輸出的頻率響應(yīng)性能，對(duì)比上文中的幾種電流模式控制器的頻率響應(yīng)也不虛，關(guān)鍵在于這個(gè)控制算法在DSP內(nèi)易于實(shí)現(xiàn)，是一種非常好的改善方法。