李翔翔,孫愛鳴

　　(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

　　摘要：在中高功率LED燈電源設(shè)計(jì)中，后級電路常采用LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。L6599是STMicroelectronics（ST）公司的一款用于LLC諧振變換器的經(jīng)典控制器，目前很多半橋LLC產(chǎn)品中均采用此IC。因此建立L6599芯片的器件庫模型，對于研究以L6599為核心器件的LLC電路具有重要意義。通過Saber軟件建立了L6599芯片的器件庫模型，實(shí)現(xiàn)了其基本功能和各種保護(hù)功能。最后用建立的L6599芯片的器件庫模型進(jìn)行半橋LLC諧振變換器的時域仿真，驗(yàn)證了模型的有效性，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少研發(fā)成本提供了可能。

　　關(guān)鍵詞：L6599； LLC諧振變換器；器件庫建模；時域仿真

0引言

　　在中高功率LED燈電源設(shè)計(jì)中，常采用兩級電路［1］。第一級電路為PFC電路，將220 V交流電變?yōu)?00 V以上的直流電供第二級電路使用，并使輸入電流跟蹤輸入電壓，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，提高電能的利用效率，減少對電網(wǎng)的影響［2］。第二級電路為DCDC電路，在中大功率場合，由于半橋LLC諧振電路具有元器件少、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、低EMI噪聲等優(yōu)點(diǎn)［34］，因此第二級電路常采用半橋LLC諧振電路。L6599是ST公司的一款用于LLC諧振變換器的經(jīng)典控制器，目前很多半橋LLC產(chǎn)品中均采用此IC。而Saber仿真軟件［5］是當(dāng)今世界上功能強(qiáng)大的電子仿真軟件之一，它具有很大的通用模型庫，其元件模型庫中有4 700多種帶具體型號的器件模型，500多種通用模型［6］，特別適用于開關(guān)電源的仿真。因此在Saber軟件中對L6599芯片進(jìn)行器件庫建模，并通過建立的模型進(jìn)行仿真，了解其基本特性，可以方便后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)，為縮短開發(fā)周期，減少研發(fā)成本打下基礎(chǔ)。

1L6599芯片的建模

　　1.1基本功能的建模及測試

　　根據(jù)L6599數(shù)據(jù)手冊［7］提供的關(guān)于振蕩器的相關(guān)參數(shù)及模型圖可知L6599振蕩器的工作原理如下［8］：IC工作后，4腳（RFmin腳）上產(chǎn)生2 V的基準(zhǔn)電壓，此電壓通過電阻RFmin產(chǎn)生一定的電流Ir，Ir通過電流鏡給電容CF充電。當(dāng)電容CF上的電壓高于3.9 V時，RS觸發(fā)器輸出低，電流鏡工作，促使電容CF放電；當(dāng)電容CF上的電壓低于0.9 V時，RS觸發(fā)器輸出高，電流鏡關(guān)斷，電容CF開始充電，進(jìn)入下一周期的循環(huán)。根據(jù)以上分析，建立了如圖1所示電路模型。

　　其中理想二極管用來在開關(guān)斷開時為流控電流源提供電流通路。設(shè)置仿真參數(shù)為RFmin=4.7 kΩ，CF=330 pF，得到仿真波形圖如圖2所示。

　　測得頻率為freq=214 830 Hz，與根據(jù)數(shù)據(jù)手冊計(jì)算出來的結(jié)果f=13×CF×RFmin=214 915 Hz相一致。

　　另外，RS鎖存器輸出的兩個信號即為占空比各為50%圖1基本功能的電路模型圖圖2振蕩器的波形圖

　　的數(shù)字電平信號，此信號可作為IC驅(qū)動輸出HVG和LVG的驅(qū)動信號，在其間插入buffer緩沖器，并對其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，可得到如圖3所示的仿真波形。

　　由圖3可知，在振蕩器的三角波上升時，低端門極驅(qū)動打開，在振蕩器的三角波下降時，高端門極驅(qū)動打開，且死區(qū)時間為 0.3 μs，與數(shù)據(jù)手冊給出的數(shù)據(jù)相一致，說明了模型的正確性。

　　1.2STBY引腳的建模

　　STBY引腳用于間歇工作模式，由數(shù)據(jù)手冊可知，當(dāng)5腳（STBY腳）低于1.25 V時，IC進(jìn)入burst mode工作模式，驅(qū)動無輸出，振蕩器關(guān)斷；當(dāng)該引腳電壓高于1.25 V后，IC恢復(fù)正常。因此通過一個電壓比較器，即可實(shí)現(xiàn)間歇工作模式的建模，模型如圖4所示。

　　1.3ISEN引腳、Css引腳和DELAY引腳功能的建模

　　ISEN引腳用于過流保護(hù)，Css引腳用于軟啟動，DELAY引腳用于延遲關(guān)斷。由于這三個引腳的內(nèi)部邏輯電路是相互影響的，因此需一起考慮對這三個引腳的功能建模。通過深入閱讀與這三個引腳相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊的內(nèi)容，可總結(jié)如下。ISEN引腳內(nèi)部連接了兩個比較器，過載電流發(fā)生時，有兩種情況：（1）當(dāng)ISEN引腳上的電壓高于0.8 V時，第一個比較器觸發(fā)，軟啟動電容Css放電，放電速度由開關(guān)的導(dǎo)通電阻決定，此時導(dǎo)通電阻為120 Ω。同時打開了一個內(nèi)部電流源，產(chǎn)生150 μA的電流對DELAY引腳進(jìn)行充電。當(dāng)DELAY引腳上的電位達(dá)到2 V時，無論OCP比較器的輸出是什么，都對軟啟動電容Css進(jìn)行快速放電，拉低PFC_STOP引腳電平，而150 μA的恒流源繼續(xù)給DELAY引腳充電，DELAY引腳上的電壓繼續(xù)上升。當(dāng)DELAY引腳上的電壓達(dá)到3.5 V時，IC關(guān)閉，PFC_STOP引腳拉低，且內(nèi)部電流源關(guān)閉。DELAY引腳通過外部電阻緩慢放電。當(dāng)其上的電壓小于0.3 V時，IC將重新開始工作。（2）當(dāng)ISEN引腳上的電壓高于1.5 V時，第二個比較器觸發(fā)，IC關(guān)閉，兩門極驅(qū)動關(guān)閉，PFC_STOP引腳拉低，關(guān)閉整個電路。根據(jù)以上總結(jié)的內(nèi)容，建立了如圖5所示模型。

　　1.4DIS引腳的建模

　　DIS引腳用于過溫保護(hù)或者過壓保護(hù)。DIS引腳內(nèi)部連接一個比較器的正向輸入端，比較器的反相輸入端接內(nèi)部參考電壓源。當(dāng)DIS引腳上的電壓高于1.85 V時，IC立即關(guān)閉。當(dāng)Vcc引腳上的電壓小于UVLO時，復(fù)位鎖存器，重啟IC。因此建立了圖6所示模型。

　　1.5LINE引腳的建模

　　LINE引腳用于線電壓檢測，可以用來設(shè)置線電壓的上下門限。LINE引腳內(nèi)接一個比較器的正向輸入端。當(dāng)LINE引腳上的電壓高于1.25 V時，內(nèi)部15 μA的電流源導(dǎo)通，門極驅(qū)動輸出正常。當(dāng)LINE引腳上的電壓低于1.25 V，內(nèi)部15 μA電流源斷開，對軟啟動電容Css進(jìn)行圖5ISEN、Css和DELAY引腳的電路模型圖放電，關(guān)閉IC，關(guān)閉門極驅(qū)動信號。根據(jù)以上分析建立圖7所示模型。

　　1.6PFC_STOP引腳的建模

　　PFC_STOP引腳用于控制PFC級電路。該引腳通常開路，只有當(dāng)DIS>1.85 V、ISEN>1.5 V、LINE>7 V、STBY<1.25 V或DELAY>2 V時，該引腳被拉低，關(guān)閉PFC級電路。上文建立的與PFC_STOP引腳相關(guān)的模塊電路的對應(yīng)輸出均為低電平，因此建立圖8所示的模型。

　　1.7Vcc引腳的建模

　　Vcc引腳用于芯片供電，具有欠壓保護(hù)功能。由數(shù)據(jù)手冊可知，IC的開啟門限電壓為10.7 V，關(guān)閉門限電壓為8.15 V，因此通過兩個比較器和一個RS觸發(fā)器構(gòu)成UVLO滯環(huán)，RS觸發(fā)器的輸出q信號用作IC的使能信號。根據(jù)上述分析建立圖9所示模型。

2基于L6599芯片的半橋諧振電路的仿真

　　根據(jù)上文建立的各引腳的電路模型，可以建立L6599芯片的器件庫模型。使用建立的L6599芯片器件庫模型，搭建了如圖10所示的LLC半橋諧振電路。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是LED電源，因此采用恒流輸出。電路參數(shù)為：勵磁電感Lm=750 μH，諧振電感Lr=100 μH，諧振電容Cr=15 nF，負(fù)載RL=20 Ω,采樣電阻RC=50 mΩ,變壓器匝比為37∶11∶11，得到的輸出電流波形如圖11所示,輸出電流為3 A。

3結(jié)論

　　本文成功地在仿真軟件Saber上建立了L6599芯片的器件庫模型，該模型詳盡地模擬了L6599芯片各主要引腳的功能特性。

　　通過該模型可以實(shí)現(xiàn)門極驅(qū)動、間歇工作、過流保護(hù)、軟啟動、延遲關(guān)斷、過溫保護(hù)、線電壓檢測等功能,完全可以滿足以L6599為核心器件的LLC電路研究。本文應(yīng)用建立的L6599芯片的模型進(jìn)行半橋諧振電路的仿真，運(yùn)行結(jié)果和波形驗(yàn)證了模型的有效性，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少研發(fā)成本提供了可能。

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