這一切都要從FAN7688控制IC開始說起，我自從了解到這種“諧振電流積分”的控制方法后，我就一直在考慮如何在數(shù)字控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)LLC的電流型控制。電流型控制的好處不必多說，就一個(gè)音頻抗擾度就比電壓模式LLC好了很多。特別是我們做車載OBC的應(yīng)用，對(duì)輸出電流的紋波更是特別看中。如果，我這里說如果我把電流型控制方法實(shí)施在數(shù)字控制環(huán)境中，這就是一個(gè)非常好的應(yīng)用技術(shù)突破。

先讓我們來(lái)看看傳統(tǒng)VMC（voltage mode control ）是怎樣實(shí)現(xiàn)，下圖是典型的VMC的模擬實(shí)現(xiàn)，下文中部分圖片和文字來(lái)源于這篇文獻(xiàn)：《Unitrode Design Note ： Switching Power Supply Topology Voltage Modevs. Current Mode by： Robert Mammano 1994/10》

在VMC PWM變換中有這么幾個(gè)鮮明的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)坞妷涵h(huán)工作閉環(huán)控制易于設(shè)計(jì)，PWM載波的幅度較高控制電路穩(wěn)定性好，輸出阻抗低易于優(yōu)化多電源的交叉調(diào)整。但是也存在這么幾個(gè)不好的地方：首先反饋必須要在輸入或輸出負(fù)載變化后反饋才能響應(yīng)，明顯控制存在時(shí)間滯后，導(dǎo)致響應(yīng)差。輸出側(cè)的LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率和相位變化帶來(lái)了不穩(wěn)定的影響，環(huán)路增益隨著輸入電壓范圍變動(dòng)，導(dǎo)致補(bǔ)償較難設(shè)計(jì)。

將電壓模式推廣到LLC變換器的控制中，上述PWM控制中的一些缺點(diǎn)在LLC變換器中同樣存在。包括低頻雙極點(diǎn)的影響以及控制上的滯后問題，這些都導(dǎo)致了目前VMC的LLC變換器很難有比較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這里我發(fā)一個(gè)由L6599A控制的LLC變換器的頻率控制》輸出電壓的頻率響應(yīng)測(cè)試圖，更多內(nèi)容可見《 VMC和CMC的LLC控制器仿真對(duì)比 第五節(jié) （完結(jié)篇）》。

從BODE圖可見在低頻1.5KHz處存在雙極點(diǎn)和相位減少180deg，無(wú)不在向我們揭示和VMC的BUCK變換器存在相似之處么。在VMC話題繼續(xù)展開前，我先收一波，讓我們先看一看在普通拓?fù)渲械腜CM（peak current control mode）實(shí)現(xiàn)。

上圖即是PCM的理論實(shí)現(xiàn)，不論是UC3843或LM3478或者更新一些的模擬控制器都是這樣的原理。那我們從這里可以看到電壓環(huán)的輸出Ve決定了開關(guān)電流三角波的峰值，所以實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入電壓變化的快速響應(yīng)，因?yàn)榇嬖贗pk = Vin*Ton/L的關(guān)系，PCM天然就包含了輸入電壓的前饋，另外對(duì)電感電流進(jìn)行精確限流后，使電感變成了受占空比可控電流源，進(jìn)而簡(jiǎn)化了控制到輸出的傳遞函數(shù)，去掉了LC輸出濾波器的影響，使系統(tǒng)變成一階慣性系統(tǒng)，系統(tǒng)更易于控制和穩(wěn)定了。

但是PCM存在電流采樣效應(yīng)使得在占空比大于50%會(huì)進(jìn)入大信號(hào)不穩(wěn)定的區(qū)域，在工程上通常會(huì)增加斜率補(bǔ)償來(lái)解決占空比大于50%后不穩(wěn)定的問題。電流模式最大的好處就是大幅度提升音頻抗擾度，使得輸出電壓中的AC輸入紋波大幅度降低，這一點(diǎn)對(duì)LLC變換器來(lái)說就非常有吸引力。眾多工程經(jīng)驗(yàn)和理論無(wú)不指出普通VMC的LLC變換的輸出工頻紋波較大，是一個(gè)比較麻煩問題。包括我們?cè)贠BC應(yīng)用上的輸出紋波電流，所以我不奇怪的把目光投向了電流模式LLC控制器和其背后的電流模式控制的實(shí)現(xiàn)方法上來(lái)，這里可以看我今年年初的寫的五篇電流型LLC控制器的建模和仿真：《VMC和CMC的LLC控制器仿真對(duì)比 第五節(jié) （完結(jié)篇）》。

從電流型控制的幾種實(shí)現(xiàn)方法來(lái)看，都能隨著電壓外環(huán)的輸出實(shí)時(shí)限制流入諧振腔的電荷（功率），都能把系統(tǒng)降低為單極點(diǎn)系統(tǒng)，可見下圖是FAN7688控制的LLC變換器的頻率控制到輸出電壓的頻率響應(yīng)：

可見在同樣功率級(jí)參數(shù)的情況下，僅變換到電流型控制，就降階了系統(tǒng)的頻率到輸出的傳遞函數(shù)，這個(gè)波形正是我們期待的結(jié)果，在低頻段的增益和相位曲線都很單調(diào)，可以很容易把系統(tǒng)帶寬做起來(lái)。那么問題來(lái)了，電流型LLC控制器的效果這么好，能不能在數(shù)字控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)呢？

這個(gè)問題正是本文的起點(diǎn)，我一直都在思考如何在DSP或MCU中實(shí)現(xiàn)電流型LLC的控制，考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度，我選擇了FAN7688的充電電荷積分控制方法，這種方法有著我們想象中的PCM的美感以及優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單的看看這種控制方法的實(shí)現(xiàn)，更多的具體內(nèi)容請(qǐng)看我之前發(fā)的文章：《VMC和CMC的LLC控制器仿真對(duì)比 第三節(jié)》

下圖是充電電荷控制的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，它優(yōu)雅的把流入諧振腔中的電流做積分，就得到了類似于PWM變換器中電感的斜坡電流，通過控制這個(gè)電荷積分的峰值，就能控制流入諧振腔的電流，就能控制每個(gè)開關(guān)周期流入變壓器的功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了峰值電流模式的LLC變換器控制。進(jìn)一步我們也能考慮到，我們僅需控制TON時(shí)流入諧振腔的電流即可，在TOFF時(shí)完全可以復(fù)制TON的時(shí)間，這樣就簡(jiǎn)化了控制復(fù)雜度，在一個(gè)完整的開關(guān)周期中，僅做TON的時(shí)間控制。

在模擬IC中的具體實(shí)現(xiàn)，根據(jù)外環(huán)輸出決定了電荷積分的峰值，然后把TON復(fù)制給TOFF，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱周期長(zhǎng)度。當(dāng)TOFF計(jì)數(shù)結(jié)束后，開始新的開關(guān)周期?？梢奆AN7688的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)：

所以在數(shù)字實(shí)現(xiàn)上也是這種方法，利用互感器取諧振電流的電荷積分三角波，將其輸入到DSP的CMPSS上用于PCM的實(shí)現(xiàn)?？梢娤聢D所示，這個(gè)是我想的電流模式控制在數(shù)字系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，其思路是來(lái)源于FAN7688。

首先電壓環(huán)輸出到DAC設(shè)置CMPSS中比較器的正向值，然后TON開始，VICS開始斜坡上升，直到高于DAC輸出的值后，CMPSS輸出數(shù)字比較器事件DCxEVTy到PWM模塊，PWM模塊根據(jù)這個(gè)事件關(guān)閉TON，然后把TON的開通長(zhǎng)度給到TOFF，當(dāng)TOFF結(jié)束后，開始新的TON周期。在這種控制方法中，需要考慮到輕負(fù)載下充電電流積分的值較低，估計(jì)不太好比較，所以可以以VMC的方式工作，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到某個(gè)設(shè)定值后，再切換為電流控制模式。實(shí)際上UCC260x40x就是電流和電壓控制模式的混合型控制。這樣可以利用各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)化。

那么其實(shí)我們還有一個(gè)問題并沒有很好的解決，就是CMPSS輸出DCxEVTy信號(hào)到PWM模塊后，我們可以很容易的配置讓他CBC的關(guān)閉TON，但是如何將TOFF與TON建立相等的關(guān)系？這個(gè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電流型控制LLC變換器的核心問題，我與TI的資深FAE討論后，我提出了這樣一種實(shí)現(xiàn)方法：

上圖中：

藍(lán)色計(jì)數(shù)器是設(shè)置的最低開關(guān)頻率，也就是最長(zhǎng)的TBPRD長(zhǎng)度。

計(jì)數(shù)器設(shè)置為UP-DOWN模式。

TON設(shè)為從PRD開始發(fā)波到ZRO關(guān)閉。

TOFF設(shè)置為AHC模式有源死區(qū)互補(bǔ)。

我們開始腦補(bǔ)一下這種工作模式：

TON也就是H開始發(fā)波，從PRD點(diǎn)開始拉高，PWM計(jì)數(shù)器開始從PRD點(diǎn)下降。

然后等待諧振電流上升到電壓環(huán)的設(shè)定點(diǎn)，CMPSS動(dòng)作，可見上圖中黑色線條標(biāo)注點(diǎn)。

然后ePWM中的數(shù)字比較器模塊（DC）動(dòng)作，在還未到ZRO點(diǎn)就關(guān)閉H輸出，也就是結(jié)束TON。

然后經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后驅(qū)動(dòng)L被死區(qū)模塊拉高，開始TOFF時(shí)間。就在此時(shí)，配置CMPSS的比較器輸出的同時(shí)進(jìn)入CBC的中斷服務(wù)函數(shù)，另外這個(gè)ISR要設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)，允許打斷其它的中斷和其它任務(wù)。在這個(gè)ISR中讀取COUNT的值，考慮到CMPSS動(dòng)作到進(jìn)入ISR的時(shí)鐘周期間隔，進(jìn)而可以推算到實(shí)際關(guān)閉TON的時(shí)間點(diǎn)在COUNT的何處，也就獲悉了TON的長(zhǎng)度。

然后把這個(gè)值寫入到TBPRD中，最后再執(zhí)行一次軟件強(qiáng)制PWM同步輸入，直接把COUNT從還未到ZRO的值，直接拉到ZRO點(diǎn)。這樣新的周期就直接載入了TBPRD，當(dāng)COUNT增大到PRD時(shí)TOFF關(guān)閉。

然后輪到TON開通，繼續(xù)等待諧振電流的充電電荷積分大于DAC的設(shè)定點(diǎn)。從控制的精度來(lái)看，有兩段時(shí)間需要補(bǔ)償。第一段是CBC動(dòng)作到進(jìn)入ISR的時(shí)間，第二段就是進(jìn)入ISR到軟件強(qiáng)迫PWM同步的時(shí)間。前者會(huì)增大TON后者會(huì)增大TOFF，所以需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一些測(cè)試才能準(zhǔn)確。

小結(jié)：本文提出了一種在數(shù)字控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)LLC變換器的電流模式控制的方法，主要是利用CBC的ISR讀取COUNT的值和強(qiáng)迫刷新PWM計(jì)數(shù)周期。本方法還未得到實(shí)際項(xiàng)目的測(cè)試和驗(yàn)證，僅僅是我腦海中的一個(gè)點(diǎn)子，今天趕緊把它寫出來(lái)與大家分享，如果對(duì)這種控制實(shí)現(xiàn)感興趣的朋友可以與我繼續(xù)討論，謝謝。

參考文檔：

1， Unitrode Design Note ： Switching Power Supply Topology Voltage Modevs. Current Mode by： Robert Mammano 1994/10

2， FAN7688 數(shù)據(jù)手冊(cè)

關(guān)于本人：

我是楊帥，有多年電源硬件和軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，熟悉各種電源仿真軟件的使用，包括模擬控制方向的Pspice和Simplis，以及數(shù)字控制使用Matlab和Plecs。熟悉PSFB，CLLC，DAB，PFC等功率架構(gòu)的拓?fù)?，控制算法，環(huán)路設(shè)計(jì)。目前是從事車載電源行業(yè)，專注在中等功率變換器領(lǐng)域，數(shù)年來(lái)一直從事電力電子仿真技術(shù)研究與應(yīng)用推廣。