基于Saber器件库的L6599芯片建模及仿真-AET-电子技术应用

基于Saber器件库的L6599芯片建模及仿真

2016年微型机与应用第12期

李翔翔,孙爱鸣

(南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210023)

摘要：在中高功率LED灯电源设计中，后级电路常采用LLC拓扑结构。L6599是STMicroelectronics（ST）公司的一款用于LLC谐振变换器的经典控制器，目前很多半桥LLC产品中均采用此IC。因此建立L6599芯片的器件库模型，对于研究以L6599为核心器件的LLC电路具有重要意义。通过Saber软件建立了L6599芯片的器件库模型，实现了其基本功能和各种保护功能。最后用建立的L6599芯片的器件库模型进行半桥LLC谐振变换器的时域仿真，验证了模型的有效性，为缩短产品开发周期，减少研发成本提供了可能。

关键词： L6599 LLC谐振变换器器件库建模时域仿真

Abstract：

Key words :

　　李翔翔,孙爱鸣

　　(南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210023)

　　摘要：在中高功率LED灯电源设计中，后级电路常采用LLC拓扑结构。L6599是STMicroelectronics（ST）公司的一款用于LLC谐振变换器的经典控制器，目前很多半桥LLC产品中均采用此IC。因此建立L6599芯片的器件库模型，对于研究以L6599为核心器件的LLC电路具有重要意义。通过Saber软件建立了L6599芯片的器件库模型，实现了其基本功能和各种保护功能。最后用建立的L6599芯片的器件库模型进行半桥LLC谐振变换器的时域仿真，验证了模型的有效性，为缩短产品开发周期，减少研发成本提供了可能。

　关键词：L6599； LLC谐振变换器；器件库建模；时域仿真

0引言

　　在中高功率LED灯电源设计中，常采用两级电路［1］。第一级电路为PFC电路，将220 V交流电变为400 V以上的直流电供第二级电路使用，并使输入电流跟踪输入电压，实现功率因数校正，提高电能的利用效率，减少对电网的影响［2］。第二级电路为DCDC电路，在中大功率场合，由于半桥LLC谐振电路具有元器件少、结构简单、成本低、效率高、低EMI噪声等优点［34］，因此第二级电路常采用半桥LLC谐振电路。L6599是ST公司的一款用于LLC谐振变换器的经典控制器，目前很多半桥LLC产品中均采用此IC。而Saber仿真软件［5］是当今世界上功能强大的电子仿真软件之一，它具有很大的通用模型库，其元件模型库中有4 700多种带具体型号的器件模型，500多种通用模型［6］，特别适用于开关电源的仿真。因此在Saber软件中对L6599芯片进行器件库建模，并通过建立的模型进行仿真，了解其基本特性，可以方便后续的产品开发，为缩短开发周期，减少研发成本打下基础。

1L6599芯片的建模

　　1.1基本功能的建模及测试

　　根据L6599数据手册［7］提供的关于振荡器的相关参数及模型图可知L6599振荡器的工作原理如下［8］：IC工作后，4脚（RFmin脚）上产生2 V的基准电压，此电压通过电阻RFmin产生一定的电流Ir，Ir通过电流镜给电容CF充电。当电容CF上的电压高于3.9 V时，RS触发器输出低，电流镜工作，促使电容CF放电；当电容CF上的电压低于0.9 V时，RS触发器输出高，电流镜关断，电容CF开始充电，进入下一周期的循环。根据以上分析，建立了如图1所示电路模型。

　　其中理想二极管用来在开关断开时为流控电流源提供电流通路。设置仿真参数为RFmin=4.7 kΩ，CF=330 pF，得到仿真波形图如图2所示。

　　测得频率为freq=214 830 Hz，与根据数据手册计算出来的结果f=13×CF×RFmin=214 915 Hz相一致。

　　另外，RS锁存器输出的两个信号即为占空比各为50%图1基本功能的电路模型图图2振荡器的波形图

　　的数字电平信号，此信号可作为IC驱动输出HVG和LVG的驱动信号，在其间插入buffer缓冲器，并对其进行相应设置，可得到如图3所示的仿真波形。

　　由图3可知，在振荡器的三角波上升时，低端门极驱动打开，在振荡器的三角波下降时，高端门极驱动打开，且死区时间为 0.3 μs，与数据手册给出的数据相一致，说明了模型的正确性。

　　1.2STBY引脚的建模

　　STBY引脚用于间歇工作模式，由数据手册可知，当5脚（STBY脚）低于1.25 V时，IC进入burst mode工作模式，驱动无输出，振荡器关断；当该引脚电压高于1.25 V后，IC恢复正常。因此通过一个电压比较器，即可实现间歇工作模式的建模，模型如图4所示。

　1.3ISEN引脚、Css引脚和DELAY引脚功能的建模

　　ISEN引脚用于过流保护，Css引脚用于软启动，DELAY引脚用于延迟关断。由于这三个引脚的内部逻辑电路是相互影响的，因此需一起考虑对这三个引脚的功能建模。通过深入阅读与这三个引脚相关的数据手册的内容，可总结如下。ISEN引脚内部连接了两个比较器，过载电流发生时，有两种情况：（1）当ISEN引脚上的电压高于0.8 V时，第一个比较器触发，软启动电容Css放电，放电速度由开关的导通电阻决定，此时导通电阻为120 Ω。同时打开了一个内部电流源，产生150 μA的电流对DELAY引脚进行充电。当DELAY引脚上的电位达到2 V时，无论OCP比较器的输出是什么，都对软启动电容Css进行快速放电，拉低PFC_STOP引脚电平，而150 μA的恒流源继续给DELAY引脚充电，DELAY引脚上的电压继续上升。当DELAY引脚上的电压达到3.5 V时，IC关闭，PFC_STOP引脚拉低，且内部电流源关闭。DELAY引脚通过外部电阻缓慢放电。当其上的电压小于0.3 V时，IC将重新开始工作。（2）当ISEN引脚上的电压高于1.5 V时，第二个比较器触发，IC关闭，两门极驱动关闭，PFC_STOP引脚拉低，关闭整个电路。根据以上总结的内容，建立了如图5所示模型。

1.4DIS引脚的建模

　　DIS引脚用于过温保护或者过压保护。DIS引脚内部连接一个比较器的正向输入端，比较器的反相输入端接内部参考电压源。当DIS引脚上的电压高于1.85 V时，IC立即关闭。当Vcc引脚上的电压小于UVLO时，复位锁存器，重启IC。因此建立了图6所示模型。

1.5LINE引脚的建模

　　LINE引脚用于线电压检测，可以用来设置线电压的上下门限。LINE引脚内接一个比较器的正向输入端。当LINE引脚上的电压高于1.25 V时，内部15 μA的电流源导通，门极驱动输出正常。当LINE引脚上的电压低于1.25 V，内部15 μA电流源断开，对软启动电容Css进行图5ISEN、Css和DELAY引脚的电路模型图放电，关闭IC，关闭门极驱动信号。根据以上分析建立图7所示模型。

　1.6PFC_STOP引脚的建模

　　PFC_STOP引脚用于控制PFC级电路。该引脚通常开路，只有当DIS>1.85 V、ISEN>1.5 V、LINE>7 V、STBY<1.25 V或DELAY>2 V时，该引脚被拉低，关闭PFC级电路。上文建立的与PFC_STOP引脚相关的模块电路的对应输出均为低电平，因此建立图8所示的模型。

　　1.7Vcc引脚的建模

　　Vcc引脚用于芯片供电，具有欠压保护功能。由数据手册可知，IC的开启门限电压为10.7 V，关闭门限电压为8.15 V，因此通过两个比较器和一个RS触发器构成UVLO滞环，RS触发器的输出q信号用作IC的使能信号。根据上述分析建立图9所示模型。

2基于L6599芯片的半桥谐振电路的仿真

　　根据上文建立的各引脚的电路模型，可以建立L6599芯片的器件库模型。使用建立的L6599芯片器件库模型，搭建了如图10所示的LLC半桥谐振电路。因为设计的是LED电源，因此采用恒流输出。电路参数为：励磁电感Lm=750 μH，谐振电感Lr=100 μH，谐振电容Cr=15 nF，负载RL=20 Ω,采样电阻RC=50 mΩ,变压器匝比为37∶11∶11，得到的输出电流波形如图11所示,输出电流为3 A。