LLC控制模式(二):從電流模式到磁滯控制 — 以SIMPLIS模擬分析TEA2016

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On-off control,又稱為磁滯控制(Hysteresis Control),或稱Bang-Bang control。這種控制方式的名稱源於其工作原理:透過設定兩個明確的閾值(高閾值 VHH 和低閾值 VHL),當被控制量(在此為諧振電容電壓 VCR)達到其中一個閾值時,立即觸發開關動作,使系統狀態從「開」(ON)轉為「關」(OFF),或反之。這種「砰!開!」或「砰!關!」的直接動作模式,使得它得名為Bang-Bang control,以強調其快速且果斷的響應特性。

一、諧振電容電壓如何等效控制諧振電流?

以下是從基本定義逐步推導 LLC 輸入功率 Pin 的過程,通過諧振電容電壓與頻率的關係,展現控制機制:

·       平均輸入電流定義: 平均輸入電流 Iboost 為一個開關週期 Tsw 內的總電荷量 Qin 除以週期時間:

o   Iboost = Qin / Tsw

·       開關頻率關係: 開關頻率 fsw 為週期倒數,因此可將 Tsw 表示為 1 / fsw。代入後:

o   fsw = 1 / Tsw,所以上式可改寫為:

o   Iboost = Qin x fsw

·       電荷變化關係: 總電荷 Qin 等於諧振電容 Cr 上的電荷變化 ΔQcr,而 ΔQcr = Cr x ΔVcr(電容電荷公式 Q = C x V):

o   Qin = ΔQcr = Cr x ΔVcr

·       將 Qin 代入 Iboost 的公式:

o   Iboost = Qin x fsw = (Cr x ΔVcr) x fsw

·       輸入功率計算: 輸入功率 Pin 為輸入電壓 Vboost 乘以平均輸入電流 Iboost:

o   Pin = Vboost x Iboost

Pin=Vboost×Iboost=Vboost×ΔVCr×Cr×fsw

其中ΔVCr是諧振電容的電壓變化,Cr為諧振電容,fsw為開關切換頻率。

·       調整VCR(諧振電容電壓),其實就是在調整諧振槽的平均電流,進而控制輸出功率。

o   VCR越高,代表諧振槽流過的電流越大,輸出功率越高。

o   反之,VCR越低,諧振電流減小,輸出功率下降。

 

二、磁滯控制架構

這是一個典型的LLC磁滯控制,是利用諧振電容電壓(VCR)作為控制依據,搭配簡單的比較器與邏輯,實現高效率、快速響應的電源控制。

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三、控制流程說明

1.     輸出電壓回授(FB)


由 TL431 搭配光耦構成的回授路徑,將輸出電壓資訊傳回控制器,經由運算放大器產生參考電壓(VTH)。


2.     閾值產生(VHH/VHL)

輸入電壓 VIN 與回授電壓 VTH 經運算後,產生高低兩個參考值:高閾值(VHH)為 VIN 加上 VTH;低閾值(VHL)為 VIN 減去 VTH。這兩個值用來設定磁滯區間。

3.     諧振電容電壓(VCR)比較

VCR來自諧振電容C3兩端,經E1等比例縮小後,送到比較器 (U5, U6),與高閾值 (VHH) 和低閾值 (VHL)比較。

4.     磁滯判斷與開關驅動

o   當VCR > VHH,經U5、U21、U3等邏輯電路,觸發RS正反器的Set,導通下橋開關(D_L)。

o   當VCR < VHL,經U6、U8、U7等邏輯,觸發RS正反器的Reset,導通上橋開關(D_H)。

結論

LLC磁滯控制以諧振電容電壓(VCR)為核心,透過直接反映電荷變化速率來精準調控諧振電流 。這種控制方式利用簡單的比較器與磁滯閾值(VHH與VHL)即時觸發開關動作 ,因此能實現快速響應 ,且它無需複雜的迴路補償設計,這類簡化架構,特別是在如NXP TEA2016 系列等控制IC中 ,使其在動態負載條件下展現出色效能。

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