LLC谐振控制---PFM模式控制

PFM电压模式控制
在PFM调制方式中，误差放大器的输出电压Vea用来改变压控振荡器的频率，从而产生固定占空比的驱动脉冲，如图1，为通用的电源管理芯片内部的振荡器，振荡器的频率由下式决定：
（1）
将RT变成一个由输出电压控制的可变电阻，即可实现PFM调制；下面分别介绍由通用电压型控制芯片和专用的LLC电压型控制芯片实现PFM的电路。

图1 通用电源控制芯片的内部振荡器
1.由通用的电压控制芯片实现LLC的PFM控制，通用电源控制芯片很多，如：SG3525，TL494等系列，下面以TL494说明PFM调制的具体实现方法：
图2 TL494内部结构示意图
图3 TL494的PFM电压模式控制实现
如图2，图3，由R4，R5从基准电压VF处分压，使得占空比始终保持为将近50%，频率调节过程如下：
输出功率Po↑,即负载阻抗RL↓，导致输出电流Io↑,从而输出电压Vo↓,VF↓,电流型误差比较器的输出IJ↓，光耦原边电流ID↓，光耦副边A到GND的等效阻抗Req↑，从而连接与RT端口的总阻抗↑，根据式（1）可知，振荡器的振荡频率ft↓,此时LLC网络的直流增益M增大，从而输出电压增大，达到稳压的目的。

2.由于LLC拓扑的应用越来越广泛，很多公司开发了专用的LLC的电源管理芯片，但这些芯片无一例外的都采用电压模式控制方式，即将输出电压反馈后控制振荡器的频率，下面以ST的L6599为例说明其PFM实现方法：
图4 L6599内部结构示意图
图5 L6599的PFM电压模式控制实现
由图4，图5可以看出，专用芯片L6599的PFM实现方法和采用TL494及分立元件电路一样，通过输出电压调整RFmin脚的等效阻抗，从而改变振荡器的振荡频率；为了保证LLC电路的稳定运行，L6599芯片增加了很多保护功能：
（1）槽路过电流保护，通过在Cs端的电压采样，由电容C13分压，将原边平均电流信号送入第6脚ISEN脚，并且在其内部设置0.8V和1.5V两级保护，分别
启动软起电容放电以及关闭芯片；
（2）空载与轻载保护，通过第5脚STBY检测到输出电压过高时，启动打嗝保护输出模式；
（3）软起，通过连接在第4脚RFmin和第1脚Css之间的R20和C14进行开机软起，以及故障后的软起，避免起动时的过电压；
（4）网压波动保护，通过第7脚LINE脚检测输入端的网压变化，网压过低过高时，重新软起或者关闭芯片输出；
（5）另外还可以通过第8脚的DIS控制芯片的关闭。

从专用芯片L6599的多重保护功能可以看出，LLC谐振变换器的电压控制方式的缺陷和局限性：
（1）电压模式的采样点是输出电容Co的正端，其采样信号为几个周期的电压平均值，其采样信号不能反映电压的及时性；
（2）电压模式控制法不对电流进行控制，当然有多种通过辅助电路实现限流的方法，如通过检测过流使脉冲宽度缩窄或使脉冲立即终止等，但是这些方法也不是及
时的，总会有几个周期的延时，这会导致开关管或者整流管的过渡损耗和过大
的电流电压尖峰；
（3）电压模式对于输入网压的变化没有相应的调整措施，当输入网压变化时，变压器，整流管，滤波电容，输出电压采样，误差放大器放大，延时以后才能通过
改变频率改变谐振网络的直流增益，最终实现稳压或者恒流的目的；这种输入
网压变化必须传递到输出方能进行调制的机理，使得控制器对网压的调整速度
很慢，如果出现网压过低时，原边的槽路电流可能出现浪涌，从而造成开关管
损坏；
（4）LLC谐振变换器的谐振槽路中的元件Lr,Cr,Lm，变压器在稳态运行时，不断地经历存储能量和释放能量的过程；在超过500W的大功率输出场合，其槽路电
流将会变得很大，对于磁性元件Lr,Lm,变压器，如果不能对其电流进行控制，
就很容易发生直流饱和或者磁偏饱和的现象，从而导致原边直通，烧毁开关管，
这也就是电压模式控制芯片一般推荐用于500W以下的中小功率的主要场合的
原因。

为了克服以上缺陷，必须寻求更加合适的控制方法，从而保证在大功率场合，LLC,谐振变换器的稳定可靠的运行。

PFM电流模式控制
在PWM电流模式的最大特点就是，将原边电流的及时信号采样后与电压比较器的输出电压比较，其交点决定了PWM的宽度；然而如何由电流信号Vi与误差放大器输出信号Veao,来决定PFM的频率，并且这个决定过程是及时的，或者说只经历很少的延时，其相应应该远远快于电压模式的平均值调制方式，这是一个没有得到普遍解决的难题，本文在大量实验基础上，提出一种由通用电流控制芯片和分立元件实现的PFM电流模式控制方式，解决了这个难题，且在工业生产中验证此PFM电流模式控制器的稳定性，可靠性，以及系统的快速响应能力。

由上文的PFM电压模式控制的分析可知，变频就是通过改变接在控制芯片RT脚的电阻的等效阻抗实现的，如图1，然而这种变频方式只能适用于平均模式，而及时控制模式可以通过改变灌入（或抽出）电容CT中的电流来进行变频。

图6 UC3846电流型控制芯片内部结构示意图
图7 PFM电流控制模式控制实现
图6，图7是使用通用的电流控制芯片UC3846实现PFM电流控制的原理图：
控制芯片与副边输出供地，与原边隔离；其中Vo为输出电压，通过采样电阻R12和R13分压，反馈到误差放大器的反相端；槽路中的电流iLr通过电流互感器T1采样，二极管D1，D2，D7，D8进行整流，再经过一级RC滤波，加到电流放大器的输入端C/S+和C/S-；DRVA和DRVB为驱动信号，通过驱动变压器驱动半桥或者全桥LLC的MOSFET；SD为故障关机信号，高电平有效，必须大于0.7V,芯片软起复位，重新软起，开关管的驱动信号的频率从高频率向环路确定的频率软起，以避免起动时的电压和电流过冲。

软起由R2和C2实现，其中R2的大小确定了最大的开关频率，故障发生时，由Q1对C2放电，重新软起；接在CT端的电容为振荡器的电容，灌入CT的电流由两部分组成，一部分为芯片内部振荡器的恒流源提供，另一部分由Q3提供，这是实现变频的关键，由稳压管D5，电容C8，二极管D6，将驱动信号下降沿的微分信号取出来，在每半个周期，驱动脉冲结束时，往电容C2中冲入大电流，是振荡器在很短的时间里跳转，从而保证每半个周期占空比在85%~95%之间，符合LLC半桥与全桥驱动脉冲的要求，用PSPICE对图7中的A,B,C三点进行仿真，其电压波形如图8所示。

图8 A,B,C各点的电压波形图
当负载Po增大时，输出电压Uo降低，误差比较放大器的输出电压Veao增大，电压
波形与Veao的交点延迟，驱动脉宽变宽，每一个半周期的时间是由电流采样电压Vi与Veao 的交点时刻来决定，交点越迟，脉冲越宽，从而半周期时间越长，频率越低，LLC谐振网络的增益变大，从而拉高输出电压，达到输出电压恒定的目的。

反之，交点时刻越早，脉冲越窄，半周期时间越小，频率越高，从而实现了变频的目的，并且从图8的C点电压可以看出，在每个半周期时间里面，占空比时钟保持在85%~90%以上，满足LLC驱动脉冲的要求。

此PFM电流模式控制方法与PWM电流模式控制一样，属于单周期控制，满足了电流模式对原边电流的及时控制，从而使得变换器的输出电压跟随的是调制的恒流脉冲的及时信号而非输出的平均电压信号；在小信号下，输出滤波器的输入端，其平均波形是恒流而非恒压的正弦波。

这种电流模式控制法相对于电压模式，具有以下一系列优势：
PFM电流模式控制的优点：
1.输入网压的调整
对于电压模式来说，如果输入网压Vdc上升，由于次级直流输出电压与次级绕组峰值电压和开关管的开关频率有关，次级峰值电压上升就要求开关管的开通频率降低才能保持直流输出电压不变。

Vdc上升时，刺激绕组峰值电压上升，经过变压器以及整流二极管，输出电压也上升。

上升的Vo经电流型误差放大器TL431(有延时)使光耦PC817的原边电流增大，从而使得光耦的副边等效阻抗下降，振荡器的振荡频率增加，LLC谐振网络的直流增益下降，拉低输出电压而保持恒定。

然而，这种针对输入电压的调整机理，由于要经过滤波器和误差放大器的延时，所以响应较慢。

电流模式可避开这些延时。

即当Vdc上升时，加到谐振槽路上的电压增加，槽路电流斜率以及采样原边电流电压Vi也增加。

这样Vi的峰值将更快达到Veao,导通时间不需
要Veao的调节延时而立即缩减。

其驱动脉冲的下降沿经微分电路使得半周期的时间减少，开关频率增加，LLC谐振网络的直流增益下降，拉低输出电压而保持恒压；整个调整的过程没有延时，输入电压跃变造成的输出电压变化不那么明显，就是因为这种电压的前馈特性。

2.防止偏磁和直流饱和
LLC谐振变换器的谐振槽路中的元件Lr,Cr,Lm，变压器在稳态运行时，不断地存储和释放能量；在超过500W的大功率输出场合，其槽路电流将会变得很大，对于磁性元件Lr,Lm,变压器，如果不能对其电流进行控制，就很容易发生直流饱和或者磁偏饱和的现象，从而导致原边直通，损坏开关管；电流模式控制法可以避免磁性元件的直流饱和或磁偏，当变压器或者谐振电感磁芯偏离平衡区域，开始趋于某一方向饱和时，槽路电流将不再是准正线电流，而是呈上凹形状，电流采样电压Vi很快到达Veao，使导通结束；此时磁通增长被中止；在接下来的半个周期内，由于另一个开关管导通时间并未明显减少，所以磁性磁通恢复而不致饱和。

以上分析可知，电流模式控制能够满足对输入网压的前馈调整和对原边电流的周期调整；而不必像PFM电压型控制芯片那些设置重重的保护电路，从而在比较严酷的输入条件和大功率负载时，不能稳定的运行，可能出现不断软起或者芯片重启的情况。

本文分析了PFM的电压模式和电流模式控制的实现，通过比较得出PFM电流模式控制的优势，电流模式PFM控制的LLC变换器由于具有前馈控制，保证了大功率工况运行的可靠性和稳定性，以及快速反应能力。