德州仪器数字控制器实现次级侧 LLC 电流模式控制

出处：网络整理发布于：2025-08-14 16:35:33

在电源设计领域，LLC 转换器有着至关重要的地位。其指示器 - 指示器 - (LLC) 串行谐振电路能够在初级侧实现零电压，在次级侧实现零电流开关，这不仅提高了电源转换的效率，还能实现更高的开关频率，进而减小电源的体积和重量，在现代电子设备小型化、高效化的趋势下，具有重要的应用价值。

通常情况下，LLC 转换器采用直接频率控制模式，它仅有一个电压环路，通过调整开关频率来稳定输出电压。然而，直接频率控制 LLC 存在一定的局限性。由于 LLC 微小信号传输功能存在双极点，并且在不同的负载条件下会发生变化，这使得其无法实现高带宽。当将所有边界条件纳入考虑时，用于直接频率控制的 LLC 补偿器设计会变得棘手且复杂。

电流模式控制为解决这一问题提供了有效的途径。它可以通过内部控制环路消除双极点，同时使用简单的补偿器在所有运行条件下实现高带宽。混合滞环控制作为一种 LLC 电流模式控制方法，结合了电荷控制和斜率补偿技术。电荷控制具有优异的瞬态性能，但在空载或轻载状况下存在稳定性问题。而混合滞环控制通过引入斜率补偿技术，在保留电荷控制优异瞬态性能的同时，有效规避了这些稳定性问题。德州仪器 (TI) 提供的 UCC256404 LLC 谐振控制器证明了该方法切实可行。

图 1：LLC 串行谐振电路可在初级侧实现零电压开关，并在次级侧实现零电流开关。

接下来，我们详细了解一下 LLC 电流模式控制的原理。与降压和升压等脉宽调制 (PWM) 转换器类似，峰值电流模式控制可在每个开关周期内直接调控电感电流，从而将内环控制系统简化为一阶系统。在 LLC 转换器中，谐振回路的工作方式类似于摆动。高低侧开关对谐振电容器电压进行推挽操作：当高侧开关导通，且谐振电流转为正值后，谐振电容电压将向上摆动；反之，当低侧开关导通，且谐振电流转为负值后，谐振电容电压将向下摆动。

当高侧开关导通时，能量流入谐振转换器。如果移除输入去，则向谐振回路提供的功率等于输入电压和输入电流的乘积的积分值。若忽略死区时间，则公式 1 可表示每个开关周期内的能量。

公式 1

在公式 1 中，输入电压是恒定的，输入电流等于谐振电流的。因此可以将公式 1 修改为公式 2。

公式 2

观察谐振电容器，谐振电流的积分值与谐振电容器上的电压变化成正比（公式 3）。

公式 3

通过公式推导，公式 4 可得出传输到谐振回路的能量。

公式 4

从公式 4 可以明显看出，每个开关周期内传递的能量与高侧开关导通时谐振电容的电压变化量成正比。这与降压或升压转换器中的峰值电流控制非常相似，其中能量与指示器的峰值电流成正比。LLC 电流模式控制正是通过控制谐振电容器上的电压变化来控制每个开关周期中提供的能量，如图 2 所示。

图 2：这种通过控制谐振电容器电压变化来管理每个开关周期传输能量的方式，正是 LLC 电流模式控制的原理。

下面我们看看如何使用 MCU 实现 LLC 电流模式控制。图 3 展示了基于德州仪器 (TI) TMS320F280039C C2000 32 位 (MCU) 实现的电流模式 LLC 逻辑，该方案包含基于硬件的谐振电容器电压变化量 (ΔVCR) 比较、脉冲生成和周期限制。

在 LLC 电流模式控制中，信号 Vc 来自电压循环补偿器，信号 VCR 是谐振电容器的电压感应。C2000 比较器子系统模块具有内部斜率发生器，该发生器可自动为 Vc 提供下降斜率补偿。用户只需设置斜率发生器的初始值；模数转换器 (DAC) 将根据斜率设置提供下降斜率 VCR 限制 (Vc_ramp)。比较器子系统模块将 VCR 的模拟信号与斜率限制进行比较，并生成触发事件 (COMPARE_EVT) 以通过 ePWM X - Bar 触发增强型 PWM (ePWM)。

ePWM 中的动作限定器子模块接收来自比较器子系统的比较事件，并在每个开关周期中将 PWM (PWMH) 的高侧拉低。在 PWMH 变为低电平后，可配置逻辑块会将相同的脉冲宽度复制到 PWM (PWML) 的低侧。PWML 变为低电平后，可配置逻辑块 (CLB) 将生成同步脉冲，用于复位所有相关模块并将 PWMH 信号重新置于高电平。该过程会按照新的开关周期重复。

除了比较动作之外，时间基值子模块还限制了 PWMH 和 PWML 的脉冲宽度，这两个脉冲宽度决定了 LLC 转换器的开关频率。如果计时器计数至值时仍未出现比较事件，时间基值子模块将复位 AQ 子模块并拉低 PWMH，以此替代比较器子系统模块的比较事件动作。这个硬件逻辑构成内部 VCR 变化控制，可控制在每个开关周期中传送到谐振回路的能量。随后，可采用传统中断服务例程设计外部电压循环补偿器，通过计算并刷新 VCR 变化振幅至 Vc 的设定值来实现控制。

图 3：采用 C2000 MCU 的 LLC 电流模式控制逻辑，其中信号 Vc 来自电压循环补偿器，信号 VCR 是谐振电容器的电压感应。

为了验证该方案的有效性，进行了相关实验。图 4 显示了在使用 TMS320F280039C MCU 的 1kW 半桥 LLC 平台上，400V 输入和 42A 负载下的电压循环波德图，证明 LLC 可以实现 6kHz 带宽和 50 度的相位裕度。

图 4：具有 400V 输入和 42A 负载的电流模式控制 LLC 的波德图。

图 5 比较了对输入电压 400V，负载电流 10A 至 80A（转换速率为 2.5A/μs）的瞬态状况下，直接频率控制与混合滞环控制的负载瞬态特性。可以明显看出，与传统的直接频率控制 LLC 相比，混合滞环控制电流模式控制方法能够更好地响应负载瞬态，在负载快速变化时，能更快地调整输出电压，减少电压波动，提高电源的稳定性和可靠性。