只有想不到，沒有做不到的 LLC 控制

LLC 諧振轉換器透過設計電路產生諧振的方式，實現功率開關元件的軟切換，能顯著的提升轉換器效率，因此廣受業界喜愛。但你是否也覺得 LLC 諧振轉換器的補償難以調整，Transient Response 太慢？系統頻寬太低？單純的電壓回授已經無法滿足設計需求，但是受限於 LLC 無法使用峰值電流模式控制，沒辦法設計更優化的回授與補償器？

LLC 在運作上使用固定 Duty 的脈衝訊號驅動全橋或半橋諧振電路，透過改變開關的頻率來改變變壓器的增益。在控制方式上，單電壓環的 LLC 控制已經是成熟的主流技術，透過比較輸出電壓與參考電壓的方式變更工作頻率，可以穩定的運作 LLC 轉換器，但其缺點也十分明顯：無法及時反應輸入電壓變化、對應輸出電流變動時恢復穩態電壓的響應速度慢、系統頻寬較低等。

為了改善上述的缺點，最佳的辦法就是將電流也納入控制環路中。這在學界與業界皆有相關的研究，目前的電流控制方式已經有很多選擇。但是類比的 LLC 控制 IC 大都還是單電壓控制，或者只能實現其中某一種控制方式，這時便可以看到全數控制的電源轉換器的優勢。

對於數位控制的電源轉換器來說，控制的設計上就非常靈活。我們可以透過 MCU 內部的 ADC 或比較器，搭配對應的控制演算法或 MCU 外設輕易地加入任何電流控制方式，實現各種不同的 LLC 控制拓樸，甚至可以使電源在不同的負載條件下工作在不同的控制方式。越是複雜的架構或控制方式，就越應該以全數位方式設計。

本文會針對 LLC 架構的各種控制方式該如何以數位方式實現，做詳細的介紹。

LLC 拓樸的各種控制方式

在介紹 LLC 的數位控制之前，我們可以先複習一下什麼是控制。從下面這張圖可以看到一個控制系統的構成的所有必要條件，而其中除了受控設備與感測功能以外，其他的均可以由 MCU 處理。

使用數位方式實現電源控制，我們需要透過 ADC 配合採樣電路得知控制所需的回授訊號，透過程式的演算法計算出接下來的操作量，再透過 MCU 外設將操作量轉換為 PWM 輸出到 Gate driver 來驅動 MOSFET 運作。程式會不斷根據反饋的訊號改變輸出的操作量，讓最終的輸出被控制在設定好的目標值上。下方的框圖顯示了一個數位控制 LLC 轉換器的結構。

目前 LLC 控制方式上可供參考的文獻或產品很多，有的已經有成熟產品，有的還在論文研究的階段。接下來介紹幾種較常見的 LLC控制拓樸的控制方式。

-    單電壓控制 ( Single Voltage Loop Control )

這是最為常見也最簡單的控制方式。單電壓控制是將實際輸出電壓與目標電壓的誤差輸入數位控制器，由控制器輸出週期值，再控制 PWM 輸出來控制 LLC 開關元件。

-    平均電流控制 ( Average Current Control )

透過平均取樣諧振電流 iL 納入控制之中，來控制流入變壓器的電流，因為不需要等到輸入電壓的變化反應到輸出電壓上才做出改變，所以可以改善單電壓控制對於一次側輸入電壓變化的響應速度。具體作法是將由單電壓控制器的輸出作為電流參考值，並取參考值與 iL 輸入電流控制器來控制 VCO。

-    充電電流控制 ( Charge Current Control )

與平均電流控制相似，但充電電流控制的對象是 LLC 從輸入電壓 Vin 流入 LLC 轉換器的能量，有採取諧振電流與諧振電容電壓兩種方式，使用響應較為迅速的比較器 ( Comparator , CMP ) 來控制變壓器能量充電至目標值時使 PWM 切換為下一個狀態。此方式較平均電流控制相比有響應速度更快的優點，透過比較器截斷充電電流的方式可以更好的控制輸入能量，而且對於輸入電壓的變化較不敏感。

-    簡化最優軌跡控制 ( Simplified Optimal Trajectory Control , SOTC )

一般工作時只以單電壓控制，當偵測到負載變動大於設定好的閾值時，SOTC 才介入控制。SOTC 會計算出目標負載應有的開關週期，並直接加入電壓環輸出的結果當中。此方法在動態負載的處理上比起只依賴控制器進行控制的方式更快速，可以使系統強制跳轉工作狀態到接近的目標值，再由控制器接手後續的穩態控制。

控制器的種類

在閉迴路控制系統中，控制器的作用是將回授值與目標值之間的誤差轉化為操作量，在 LLC 的控制上，操作量就是變壓器的工作頻率。當控制器的輸入是 Vout 時，我們會習慣將這個迴路系統稱為電壓環控制器 ( Voltage controller )。控制器的種類很多，每種的特性都不相同，需要根據用途來選定。接下來會針對電源經常使用的幾種控制器分別介紹。

-    起停式控制器 ( Bang-bang controller )

又稱為開關控制器或是遲滯 ( hysteresis ) 控制器或是，他的輸出具有 ON / OFF 兩個狀態，並具有上下兩個閥值。當誤差值減少至下閥值時，輸出為 ON，增加頂到上閥值時，輸出為 OFF。

起停式控制器常見於輕載 Burst mode 的控制。當輸出電壓低於下限值時，PWM 開始工作，而當輸出電壓增加至上限值時，PWM 停止工作。

-    比例控制器 ( Proportional controller )

比例控制器是將當前誤差值乘以一定的比例做為控制器的輸出，可以參考上方的數學式。其中 e(t) 是當下的誤差值， KP 是比例係數，u(t)是控制器輸出。

比例控制誤差為 0 時，輸出為 0，若要使比例控制器輸出非 0 的數值，則需要加入一個穩態誤差或是偏移量。

由於沒有將舊的輸出或誤差值加入控制當中，因此在碰到變化時恢復系統穩定所需的時間較長，而且穩態時輸出的擺盪較大，較少用在數位電源控制上，但可以做為初步測試時使用。

-    PI 控制器 ( Proportional – Integral (PI) controller )

PI 控制器由將過去一段時間的誤差總和 ( 積分 ) 乘上一個係數加入倒比例控制器當中，因此過去的誤差會累積並且影響到最終的輸出，如此便能有效的消除穩態誤差。

PI 控制器在電源上常作為電壓或電流回授的控制器，或是其他任何需要控制的項目。

-    PID 控制器 ( Proportional – Integral – Derivative (PID) controller )

PID 控制器在 PI 控制器上又加上了微分項，透過先前次誤差與當前誤差計算一階導數，乘上係數後加入倒 PI 控制器中。這可以使控制器能對誤差的改變作出反應，一階導數的結果越大，則系統的反應也越大，這在增加控制器反應速度上很有幫助，通常會用於電流回授的控制器使用。

-    2P2Z 控制器 ( 2-pole 2-zero controller )

在傳統類比電源上，由於補償器通常只有一處，而電源的控制系統可能存在多個零點或極點，因此設計時會使用極零點安置法來設計硬體補償器控制電源。對於這樣的需求，數位電源上同樣可以透過將 s 域進行 z 轉換的方式推導出 MCU 可以進行計算的 z 域方程式，同樣的實現極零點控制。

上方便是一個 2P2Z 控制器，其中 X 是輸入，Y 是輸出，Z 表示零點，P 表示極點，a 和 b 則表示係數。2P2Z 可以用於補償系統存在 2 對極零點的情形，常用於當變壓器原邊存在電流控制器時的輸出電壓控制器。

-    3P3Z 控制器 ( 3-pole 3-zero controller )

前面我們看過 2P2Z 的控制器函數，同樣的方式我們也可以推導出 3P3Z 的控制器函數。3P3Z 控制器常用於 LLC 的單電壓控制模式。

只有想不到，沒有做不到

對比傳統電源，全數位電源雖然成本高，電路也較為複雜，但是可以做到的更多，你可以使用全數位電源嘗試設計任何看起來可行的方法。比如增加一組電流回授或保護功能、輕載時與非輕載時使用完全不同的運作方式以提升效率、或是使電源在兩倍以上額定功率的峰值負載電流時仍繼續工作一段設定好的時間…等等。

在全數位電源上，電源拓樸的運用不再受限於 IC 本身的控制模式，只要可以透過 ADC 與取樣電路取得控制所需的電壓或電流值，便可以用程式撰寫控制器與演算法，實現任何電源拓墣或控制。