在電源設計的領域中，LLC 諧振轉換器因其高效率而備受青睞，而在眾多 LLC 控制器 IC 中，ST 的 L6599 系列無疑是佔有一席之地的經典之作。許多工程師都曾研究過它的 datasheet，對其精巧的設計讚嘆不已。
今天，我們不談論複雜的功率級，而是將焦點放在這顆 IC 的心臟—它的壓控振盪器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)。我們將透過 SIMPLIS 這個強大的模擬工具，一步步搭建出一個行為級模型，來重現 L6599 振盪器最著名的「充電1倍，放電2倍」設計，並驗證其結果。
L6599 振盪器原理
要模擬一個東西，得先理解它。我們回顧一下 L6599A 的內部方塊圖，它的振盪器有幾個關鍵特徵：
- 基準電流的建立：晶片內部有一個 2V 的參考電壓，它會強制讓 RFmin 這個接腳的電位也維持在 2V。因此，只要我們在外部接上一顆電阻 RFmin 到地，就能建立一個非常穩定的基準電流 I_R=2V/R_Fmin。這個 I_R 是整個振盪器所有電流的「基準」。
- 充電與放電的巧妙設計：晶片內部透過精巧的電流鏡 (Current Mirror)，以上面的 IR 為基礎，產生了兩組關鍵電流：
- 一組大小為 I_charge=KM*IR 的充電電流。這個電流源是永遠開啟的，像一個持續注水的小水龍頭。
- 另一組大小為 I_discharge=2KM*IR 的放電電流源。這個電流源是可以被開關的，像一個口徑更大的排水孔。
關鍵的放電階段： 這就是整個設計最巧妙的地方。當控制器需要放電時，它並不是關掉充電電流，而是在充電電流持續作用的同時，打開了兩倍大的放電電流。
此刻，定時電容 CF 正在邊充電邊放電。電流為： I_net_discharge=I_charge−I_discharge =( KM*IR)−(2 KM*IR)=− KM*IR
這個計算結果告訴我們，放電電流的大小，恰好就等於充電電流的大小，只是方向相反。正是因為放電電流源設計成兩倍大，才能在克服掉持續不斷的充電電流後，還能提供一倍的電流來放電，最終產生了完美的 50% 對稱三角波。
建模
了解原理後，我們就可以在 SIMPLIS 中，使用「行為級建模 (Behavioral Modeling)」的方式來建立開迴路模擬，我們不需要畫出每一個電晶體，而是用功能模組來重現其行為。
這個模擬電路的由以下幾個部分組成：
- 定時電容 C5：整個振盪器的核心，它的電壓會形成三角波。
- 比較器 U5 & U6：設定三角波振幅的上限 (4V) 與下限 (1V)。
- RS 正反器 U4：根據比較器的結果來切換GH和GL。
- 電流源 F4 & F5：這是模擬的精髓！我們使用兩個「電流控制電流源 (CCCS)」，並在其內部增益參數上做了設定：
- F4 (充電) 的增益設定為「1」。
- F5 (放電) 的增益設定為「2」。
透過在模組內部設定 1 倍和 2 倍的增益，我們就完美地在行為級模擬上，重現了 L6599 「充電1倍，放電2倍」的設計思維。在這個開迴路測試中，我們用一個固定的 2V 電壓源 V1 來提供一個基準的控制訊號。
模擬結果驗證
執行模擬後，從諧振電流 Icr 的波形上，我們可以清楚地看到系統穩定地工作在一個固定的頻率上。
根據模擬的量測，系統的工作頻率為 84.178 kHz。這個結果是否符合我們的理論計算呢？我們來驗算一下：
已知設計參數
- 定時電容 (C): 1 nF (1×10−9 F)
- 電壓振幅 (ΔV): 4V - 1V = 3V
- 工作週期 (Duty Cycle): 50% (因採用對稱的充放電電流設計，所以 trise=tfall)
- Icharge=2V/3.95k=0.506mA
- I = C * (dV/dt)
Trise=C×(ΔV/ Icharge )= (1 × 10⁻⁹) × (3 / (0.506 × 10⁻³))=5.93uS
- f= 1/(Trise+Tfall)=1/11.86us=84.3kHz
在 2V 的控制電壓下，我們的模型產生了 0.506 mA 的基準充電電流，並根據這個電流產生了 84 kHz 的振盪頻率，與模擬結果對應。
結論
透過 SIMPLIS 的行為級建模，我們成功地用幾個簡單的功能模組，重現了 L6599 這顆經典控制器內部振盪器的核心設計理念。我們不僅驗證了「充電1倍，放電2倍，且同時作用」的機制可以產生穩定的對稱振盪，也透過「I 充 C」的基本公式，將理論計算與模擬結果結合。
