基于Saber器件庫(kù)的L6599芯片建模及仿真

李翔翔,孫愛鳴

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

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基于Saber器件庫(kù)的L6599芯片建模及仿真

李翔翔,孫愛鳴

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)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(jí)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(kù)模型，對(duì)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(kù)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(kù)模型進(jìn)行半橋LLC諧振變換器的時(shí)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(kù)建模；時(shí)域仿真

引用格式：李翔翔,孫愛鳴. 基于Saber器件庫(kù)的L6599芯片建模及仿真[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：35-38.

0引言

在中高功率LED燈電源設(shè)計(jì)中，常采用兩級(jí)電路[1]。第一級(jí)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(jí)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(duì)電網(wǎng)的影響[2]。第二級(jí)電路為DC-DC電路，在中大功率場(chǎng)合，由于半橋LLC諧振電路具有元器件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、低EMI噪聲等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，因此第二級(jí)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(kù)，其元件模型庫(kù)中有4 700多種帶具體型號(hào)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(duì)L6599芯片進(jìn)行器件庫(kù)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(cè)試

根據(jù)L6599數(shù)據(jù)手冊(cè)[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(shí)，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(shí)，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(lái)在開關(guān)斷開時(shí)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。

另外，RS鎖存器輸出的兩個(gè)信號(hào)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(hào)，此信號(hào)可作為IC驅(qū)動(dòng)輸出HVG和LVG的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在其間插入buffer緩沖器，并對(duì)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(shí)，低端門極驅(qū)動(dòng)打開，在振蕩器的三角波下降時(shí)，高端門極驅(qū)動(dòng)打開，且死區(qū)時(shí)間為 0.3 μs，與數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)可知，當(dāng)5腳(STBY腳)低于1.25 V時(shí)，IC進(jìn)入burst mode工作模式，驅(qū)動(dòng)無(wú)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(gè)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。

圖4　 STBY引腳的電路模型圖

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(dòng)，DELAY引腳用于延遲關(guān)斷。由于這三個(gè)引腳的內(nèi)部邏輯電路是相互影響的，因此需一起考慮對(duì)這三個(gè)引腳的功能建模。通過深入閱讀與這三個(gè)引腳相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)的內(nèi)容，可總結(jié)如下。ISEN引腳內(nèi)部連接了兩個(gè)比較器，過載電流發(fā)生時(shí)，有兩種情況：(1)當(dāng)ISEN引腳上的電壓高于0.8 V時(shí)，第一個(gè)比較器觸發(fā)，軟啟動(dòng)電容Css放電，放電速度由開關(guān)的導(dǎo)通電阻決定，此時(shí)導(dǎo)通電阻為120 Ω。同時(shí)打開了一個(gè)內(nèi)部電流源，產(chǎn)生150 μA的電流對(duì)DELAY引腳進(jìn)行充電。當(dāng)DELAY引腳上的電位達(dá)到2 V時(shí)，無(wú)論OCP比較器的輸出是什么，都對(duì)軟啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，IC將重新開始工作。(2)當(dāng)ISEN引腳上的電壓高于1.5 V時(shí)，第二個(gè)比較器觸發(fā)，IC關(guān)閉，兩門極驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，PFC_STOP引腳拉低，關(guān)閉整個(gè)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(gè)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(shí)，IC立即關(guān)閉。當(dāng)Vcc引腳上的電壓小于UVLO時(shí)，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(cè)，可以用來(lái)設(shè)置線電壓的上下門限。LINE引腳內(nèi)接一個(gè)比較器的正向輸入端。當(dāng)LINE引腳上的電壓高于1.25 V時(shí)，內(nèi)部15 μA的電流源導(dǎo)通，門極驅(qū)動(dòng)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(duì)軟啟動(dòng)電容Css進(jìn)行放電，關(guān)閉IC，關(guān)閉門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)以上分析建立圖7所示模型。

圖5　ISEN、Css和DELAY引腳的電路模型圖

圖6　 DIS引腳的電路模型圖

1.6PFC_STOP引腳的建模

PFC_STOP引腳用于控制PFC級(jí)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(shí)，該引腳被拉低，關(guān)閉PFC級(jí)電路。上文建立的與PFC_STOP引腳相關(guān)的模塊電路的對(duì)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(cè)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(gè)比較器和一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成UVLO滯環(huán)，RS觸發(fā)器的輸出q信號(hào)用作IC的使能信號(hào)。根據(jù)上述分析建立圖9所示模型。

圖7　 LINE引腳的電路模型圖

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(kù)模型。使用建立的L6599芯片器件庫(kù)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(lì)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。

圖8　PFC_STOP引腳的電路模型圖

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(kù)模型，該模型詳盡地模擬了L6599芯片各主要引腳的功能特性。

圖9　 Vcc引腳的電路模型圖

通過該模型可以實(shí)現(xiàn)門極驅(qū)動(dòng)、間歇工作、過流保護(hù)、軟啟動(dòng)、延遲關(guān)斷、過溫保護(hù)、線電壓檢測(cè)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。

參考文獻(xiàn)

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圖10　 LLC半橋諧振電路圖

圖11　輸出電流波形圖

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中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.012

(收稿日期：2016-01-20)

作者簡(jiǎn)介：

李翔翔(1993-)，男，在讀研究生，主要研究方向：開關(guān)電源。

孫愛鳴(1991-)，女，在讀研究生，主要研究方向：開關(guān)變換器高頻磁損建模及其定量研究。

Modeling and simulation of L6599 based on Saber parts gallery

Li Xiangxiang,Sun Aiming

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:In the medium and high power LED driver design area, LLC topology is often used in the second circuit. L6599 is a classical controller for LLC resonant converter which is the product of STMicroelectronics(ST) company. And many half-bridge LLC products adopt this IC. Thus, establishing the parts gallery model of L6599 has great significance for the research of LLC circuit which uses L6599 as the core component. The parts gallery model of L6599 is built by Saber to realize its basic function and protection functions. A time domain simulation of LLC resonant circuit is constructed by using the parts gallery model of L6599 to prove the effectiveness of the model. By using the model, it is possible to reduce the development cycle and costs.

Key words:L6599 ; LLC resonant converter ; parts gallery model ; time domain simulation