使用 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源控制

隨著新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數(shù)字電源控制的優(yōu)勢可以被引入到范圍廣泛的嵌入式、工業(yè)和控制應(yīng)用中。傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)容易受到漂移、元件老化、溫度變化和元件容差退化等因素的影響。開發(fā)人員也僅限于經(jīng)典控制實(shí)現(xiàn)。此外，基于模擬的系統(tǒng)幾乎沒有靈活性來適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡單變化。

它使用基于靈活的 32 位低成本高性能微控制器的線路電平控制 (LLC) 諧振轉(zhuǎn)換器。探討了數(shù)字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實(shí)時死區(qū)調(diào)整、頻率控制以及用于維持不同安全操作區(qū)域的自適應(yīng)閾值。

隨著新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數(shù)字電源控制的優(yōu)勢可以被引入到范圍廣泛的嵌入式、工業(yè)和控制應(yīng)用中。傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)容易受到漂移、元件老化、溫度變化和元件容差退化等因素的影響。開發(fā)人員也僅限于經(jīng)典控制實(shí)現(xiàn)。此外，基于模擬的系統(tǒng)幾乎沒有靈活性來適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡單變化。

當(dāng)使用數(shù)字方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時，部分電源系統(tǒng)可以用軟件實(shí)現(xiàn)，從而帶來一定程度的靈活性，使單一架構(gòu)能夠在一系列應(yīng)用和操作條件下提供性能。借助基于軟件的控制算法，開發(fā)人員可以：

? 通過配置確保和可預(yù)測的系統(tǒng)行為——無論是在工廠還是在通電時——以針對組件容差問題進(jìn)行調(diào)整
? 通過使用算法（即非線性、多變量等）提高效率，這些算法在基于模擬的系統(tǒng)中實(shí)施是不可行的
? 通過動態(tài)重新校準(zhǔn)在延長的系統(tǒng)生命周期內(nèi)保持性能
? 使用單個控制器支持多個系統(tǒng)
? 通過自診斷提高系統(tǒng)可靠性
? 通過通信鏈路實(shí)現(xiàn)智能管理
? 通過允許開發(fā)人員使用模型工具和 C 來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而不必在每次需求更改時重新設(shè)計(jì)模擬設(shè)計(jì)
? 通過在同一 MCU 上支持其他系統(tǒng)功能來降低系統(tǒng)成本

本文介紹了使用基于靈活的 32 位、低成本、高性能微控制器的 LLC（線路電平控制）諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源控制實(shí)現(xiàn)。將探討數(shù)字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實(shí)時死區(qū)調(diào)整、頻率控制和自適應(yīng)閾值以保持不同的安全操作區(qū)域。

在有源負(fù)載期間使用系數(shù)調(diào)整電壓補(bǔ)償器將展示實(shí)施的靈活性，而可編程軟啟動/停止功能和轉(zhuǎn)換率控制的使用將展示如何避免浪涌電流和降低可聞噪聲。，開發(fā)人員將了解混合突發(fā)模式控制如何顯著提高輕載和待機(jī)效率。

使用微控制器進(jìn)行數(shù)字控制

考慮使用合適的 MCU 來提供使用單個獨(dú)立控制器控制系統(tǒng)所需的所有必要性能和外圍設(shè)備。具有充足裕量和專用外設(shè)的 MCU 將使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└冗M(jìn)的控制算法，以進(jìn)一步提高性能，同時降低系統(tǒng)成本。

很少有微控制器具有針對數(shù)字控制應(yīng)用優(yōu)化的架構(gòu)，具有先進(jìn)的架構(gòu)功能以增強(qiáng)高速信號處理。主 CPU 內(nèi)核需要內(nèi)置 DSP 功能，例如單周期 32 x 32 位乘法和累加 (MAC) 單元，以大大加快計(jì)算處理速度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和 PWM 等集成控制外設(shè)設(shè)計(jì)得非常靈活，可以輕松適應(yīng)幾乎所有用途，而且軟件開銷非常小。例如，ADC 有一個可編程自動定序器，可以按特定順序循環(huán)采樣，以便在應(yīng)用程序需要時準(zhǔn)備好值。擁有更智能的控制外設(shè)和強(qiáng)大的 CPU 內(nèi)核，控制環(huán)路運(yùn)行更緊密，

微控制器需要提供實(shí)時數(shù)字控制所需的重要 PWM 功能，包括：

? 軟啟動的占空比控制可避免浪涌電流并啟用各種突發(fā)模式配置以提高輕負(fù)載效率
? 實(shí)時死區(qū)可調(diào)性保證所有工作點(diǎn)的 ZVS 并優(yōu)化效率
? 觸發(fā)區(qū)和內(nèi)部比較器選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)瞬時 PWM 禁用，以確保系統(tǒng)的可靠性和安全性
? 低至 150 ps 的高分辨率頻率調(diào)節(jié)能力，可實(shí)現(xiàn)的輸出電壓調(diào)節(jié)

與模擬控制器不同，使用微控制器的系統(tǒng)可以通過使用 PID 和 2P2Z 等可編程電壓/電流調(diào)節(jié)器輕松定制以實(shí)現(xiàn)性能。開發(fā)人員可以通過為安全操作區(qū)域邊界設(shè)置特定閾值來防止災(zāi)難性故障，這些閾值與可編程軟啟動/停止功能相關(guān)。通過數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的其他功能包括避免浪涌電流、降低可聞噪聲、使用可編程軟瞬態(tài)選項(xiàng)限制轉(zhuǎn)換速率、用于多通道應(yīng)用的排序和可編程延遲時間，以及用于待機(jī)和輕型的可編程突發(fā)模式功能負(fù)載。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器 

眾所周知的數(shù)字電源拓?fù)渲皇侵C振轉(zhuǎn)換器。在提供高效率和低噪聲的同時，常見的諧振拓?fù)溆袔讉€明顯的局限性。例如，轉(zhuǎn)換器理論上無法在空載或輕載條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且需要寬頻率變化才能在整個負(fù)載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出。在輕載條件下，小諧振電流會導(dǎo)致零電壓開關(guān) (ZVS) 損失。此外，再循環(huán)能量會降低高線路或輕負(fù)載效率。

LLC 諧振拓?fù)涞暮唵谓Y(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)諧振拓?fù)涞娜秉c(diǎn)。LLC 諧振拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)包括：

? 初級側(cè)開關(guān)的完全 ZVS 操作是可能的，因?yàn)榕c理想變壓器相比，變壓器的磁化電感 (Lm) 相對較小
? 由于在不降低輸出電壓調(diào)節(jié)的情況下降低開關(guān)損耗，從空載到滿載 ZVS 的高效率和高功率密度
? 由于 ZVS，低電磁干擾 (EMI) 和降低的濾波要求，并且開關(guān)發(fā)生在零漏極電壓的條件下
? 由于集成了變壓器，因此無需外部并聯(lián)串聯(lián)電感器。磁化電感和漏電感也作為拓?fù)涞囊徊糠?br/>? 由于開關(guān)在低電流條件下關(guān)閉，因此降低了關(guān)斷損耗
? 由于沒有次級濾波電感器，次級整流器上的低壓應(yīng)力（限制為兩倍輸出電壓）和零電流開關(guān) (ZCS) 操作。此外，次級二極管的 ZCS 消除了其反向恢復(fù)問題

諧振轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器旨在調(diào)節(jié)半橋的開關(guān)頻率以調(diào)節(jié)輸出。然而，通過使用低成本微控制器來調(diào)整頻率、占空比和死區(qū)，可以使整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高。圖 1 顯示了一個可變輸入、可變輸出 LLC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。數(shù)字控制方法支持使用任何調(diào)節(jié)器——包括比例積分微分 (PID) 和雙極二零 (2P2Z)——從而簡化了系統(tǒng)的定制。

微控制器內(nèi)的嵌入式比較器和跳閘區(qū)需要在短路、過載、過壓、掉電等情況下提供可編程保護(hù)。在控制軟件中，軟啟動/停止功能可避免浪涌電流并降低可聞噪聲。當(dāng)系統(tǒng)遵循給定的參考電壓電平時，可編程軟瞬變選項(xiàng)會限制轉(zhuǎn)換率。通過混合占空比和頻率控制進(jìn)行增益調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)更平滑的啟動曲線，而不會導(dǎo)致過沖或高浪涌電流。通過以突發(fā)模式運(yùn)行系統(tǒng)可提高輕負(fù)載效率，這涉及半橋脈寬調(diào)制器 (PWM) 的開/關(guān)控制。，微控制器上的附加外設(shè)應(yīng)允許用戶控制同步整流器。

圖 1a LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級框圖

 

圖 1b 數(shù)字控制系統(tǒng)

如圖所示，在次級側(cè)，二極管電路或同步整流方法的各種組合提高了整體效率。微控制器可以位于初級側(cè)或次級側(cè)，具體取決于應(yīng)用要求。

變壓器漏電和磁化電感用作 LLC 拓?fù)涞囊徊糠郑韵薅鹊亟档统杀竞统叽?。或者，可以在原型制作期間在外部實(shí)施漏感，以簡化設(shè)計(jì)和故障排除。此外，使用外部電感器的能力提供了優(yōu)化諧振回路設(shè)計(jì)的靈活性，以解決特定的制造困難和設(shè)計(jì)權(quán)衡。一些常見的諧振回路設(shè)計(jì)權(quán)衡是系統(tǒng)效率、工作頻率、輸出精度、轉(zhuǎn)換比、傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗、系統(tǒng)頻率分辨率、/可實(shí)現(xiàn)頻率和可變輸入輸出要求。

軟件流程

圖 2 顯示了單級 LLC 轉(zhuǎn)換器控制軟件流程，分為兩部分：用于控制相關(guān)算法的高速、高優(yōu)先級代碼和用于初始化和后臺任務(wù)的低速、低優(yōu)先級代碼。

高速代碼通常以效率編寫，以實(shí)現(xiàn)更大帶寬的控制環(huán)路。此代碼使用中斷服務(wù)例程 (ISR) 調(diào)用，中斷服務(wù)例程在調(diào)用時能夠中斷后臺任務(wù)。對于以可變開關(guān)頻率運(yùn)行的 LLC 轉(zhuǎn)換器，可能會使用兩個異步運(yùn)行的 ISR。一個 ISR 將用于處理控制回路算法并以固定頻率調(diào)用以避免違反采樣和控制理論。第二個 ISR 將用于處理 PWM 模塊更新并以 PWM 開關(guān)頻率（可變）調(diào)用，以允許同時更新并限度地減少控制環(huán)路計(jì)算和更新之間的延遲。

當(dāng)沒有 ISR 處于活動狀態(tài)時，較慢的后臺循環(huán)將在剩余時間間隔內(nèi)執(zhí)行。這是執(zhí)行儀表、軟啟動、開/關(guān)延遲、保護(hù)機(jī)制、有源負(fù)載控制和通信等系統(tǒng)任務(wù)的地方。任務(wù)狀態(tài)機(jī)已作為后臺代碼的一部分實(shí)現(xiàn)。任務(wù)按組排列（A1、A2、A3…、B1、B2、B3…、C1、C2、C3…）并根據(jù)三個 CPU 定時器執(zhí)行，這些定時器配置有用戶定義的周期 1 ms、5 ms 和分別為 7.5 毫秒。任務(wù)在每個組內(nèi)以“循環(huán)”方式執(zhí)行。例如，如果 B 組每 5 毫秒執(zhí)行并且有 3 個任務(wù)，則每個“B 任務(wù)”將每 15 毫秒執(zhí)行?！奥佟比蝿?wù)可以用 C 語言編寫，而時間要求更高的諧振轉(zhuǎn)換器控制算法則用匯編代碼編寫。

圖 2：LLC 諧振轉(zhuǎn)換器控制軟件流程圖

SR PWM 時序注意事項(xiàng) 

同步整流器 (SR) 電流具有正半波正弦波形狀。理想的 SR 時序?qū)⑹?MOSFET 在非零正電流期間導(dǎo)通，并在所有其他時間關(guān)閉，這與二極管的導(dǎo)通方式相同。這意味著 SR 將在電流開始時以零電流開啟，并在電流結(jié)束時以零電流關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān) (ZCS)。

可以根據(jù)初級側(cè)開關(guān)時序輕松獲得 SR 開啟時序。這是因?yàn)楫?dāng)初級側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時，SR 電流在半周期開始時開始流動。通過將 SR PWM 設(shè)置為在其對應(yīng)的初級側(cè)半橋 PWM 的同時或稍晚開啟，可以在 SR 開啟期間實(shí)現(xiàn) ZCS。SR 關(guān)斷時序更難獲得。這是因?yàn)?SR 關(guān)斷電流零交叉點(diǎn)隨頻率變化。在諧振頻率以上，SR 電流實(shí)際上在半周期結(jié)束之前永遠(yuǎn)不會達(dá)到零。在這種情況下，SR 關(guān)閉時序只是在半周期結(jié)束時。即使未實(shí)現(xiàn) ZCS，這也提供了的功率損耗。在諧振頻率下，SR 電流在半周期結(jié)束時達(dá)到零。在這個情況下，SR 關(guān)斷時序也是在半周期結(jié)束時，但可以實(shí)現(xiàn) ZCS。在諧振頻率以下，SR 電流在半周期結(jié)束前達(dá)到零。

這導(dǎo)致三種可能的情況。首先，如果 SR 關(guān)斷發(fā)生得太晚，負(fù)電流會反向流過 SR MOSFET，這是不希望發(fā)生的，并可能導(dǎo)致組件損壞。其次，如果 SR 過早關(guān)閉，則無法實(shí)現(xiàn) ZCS 并會出現(xiàn)額外的功率損耗。第三，如果 SR 關(guān)斷發(fā)生在零交叉點(diǎn)，則實(shí)現(xiàn) ZCS。ZCS 的第三種情況是理想的情況。

設(shè)置 SR 關(guān)閉時序的方法有很多種。一種簡單的方法是選擇固定時序（相對于半周期的開始或結(jié)束），以確保 SR 在 ZCS 點(diǎn)或更早關(guān)閉所有頻率，從而提供 SR 的一些好處而不會損壞組件。第二種更的方法是根據(jù)頻率調(diào)整 SR 關(guān)閉時序。這將允許所有頻率的 ZCS，但是，除非 SR 關(guān)閉時序更新得足夠快，否則在頻率突然偏移后可能會發(fā)生前兩種低于諧振頻率的操作情況。這兩種方法還需要通過實(shí)驗(yàn)來確定每個實(shí)施所需的 SR 關(guān)閉時序，這可能非常耗時或不切實(shí)際。第三種方法是直接根據(jù) SR 電流水平調(diào)整 SR 關(guān)閉時序。這將需要額外的感測電路，但可以簡化開發(fā)并降低計(jì)算要求。

瞬態(tài)調(diào)整

為了保持環(huán)路調(diào)整簡單并避免使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)或分析工具，必須通過將自由度重新映射到一組更直觀的系數(shù)來考慮自由度的數(shù)量。例如，使用五個 2P2Z 穩(wěn)壓器系數(shù)項(xiàng)（B0、B1、B2、A1 和 A2）可以通過將這些項(xiàng)重新映射到 P、I 和 D 系數(shù)增益來簡化，每個增益都可以獨(dú)立調(diào)整。這種方法需要存在周期性瞬態(tài)或干擾，并需要一種在交互調(diào)整的同時觀察輸出瞬態(tài)的方法，而轉(zhuǎn)換器板上的內(nèi)置有源負(fù)載可以提供周期性干擾（見圖 3）。

補(bǔ)償器塊具有兩個極點(diǎn)和兩個零點(diǎn)，并且基于通用的無限脈沖響應(yīng) (IIR) 濾波器結(jié)構(gòu)。傳遞函數(shù)由下式給出：

PID 控制器的遞歸形式由差分方程給出：

在哪里：

其 z 域傳遞函數(shù)形式為：

將其與一般形式進(jìn)行比較，我們可以看出 PID 只不過是 CNTL_2P2Z 控制的一個特例，其中 A1 = -1 且 A2 = 0。

圖 3 有源負(fù)載測試，從滿載到空載的瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)整，具有各種調(diào)節(jié)系數(shù)

突發(fā)模式操作

當(dāng)諧振轉(zhuǎn)換器輕載或空載時，會有大量初級電流流過變壓器的磁化電感以維持軟開關(guān)，從而引入損耗并顯著降低輕載效率。為了克服這個問題，轉(zhuǎn)換器可以在突發(fā)模式下運(yùn)行，以將轉(zhuǎn)換器的輸入消耗保持在水平；當(dāng)負(fù)載低于某個值時，程序?qū)⑦M(jìn)入突發(fā)模式。突發(fā)模式是一系列幾乎固定頻率的開關(guān)周期和一個由長空閑周期隔開的占空比，其中開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)或占空比設(shè)置為零，如圖 4 所示。這樣，平均諧振回路電流的值可以降低到幾乎可以忽略不計(jì)的值。此外，（A）（二）（C）

在此實(shí)現(xiàn)中，突發(fā)模式開/關(guān)決策基于輸出紋波。由于紋波量在空載時并不重要，因此可以定義小于輸出電壓 5% 的帶寬來開啟和關(guān)閉突發(fā)模式。此外，還可以添加一個軟件子程序，根據(jù)系統(tǒng)紋波限制調(diào)整開/關(guān)周期。將圖 4a 與進(jìn)行比較時，可以顯著減少導(dǎo)通時間以提高輕負(fù)載效率。微控制器靈活的控制能力將使開發(fā)人員能夠以混合方式實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式操作并調(diào)整占空比。

顯示了一個限制為 10% 的占空比。這允許系統(tǒng)獲得更平滑的瞬態(tài)，減少浪涌電流并降低組件上的應(yīng)力。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格，開發(fā)人員可以選擇所有這些備選方案的組合，以獲得的輕載或空載效率。
除了突發(fā)模式之外，混合方法還支持轉(zhuǎn)換器的軟啟動。LLC 轉(zhuǎn)換器初往往會消耗巨大的電流，這可以通過將開關(guān)頻率增加到高達(dá)三倍的值來控制。通過混合方法，可以在相對較低的開關(guān)頻率下有效抑制浪涌電流。

結(jié)論

許多原始設(shè)備制造商正在轉(zhuǎn)向數(shù)字電源控制技術(shù)以提高系統(tǒng)性能和效率。先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如基于 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為 OEM 和終用戶帶來許多好處，包括更低的系統(tǒng)成本、更好的響應(yīng)能力、更高的可靠性和的電源效率。通過使用具有集成硬件組件的可編程方法的靈活性，原始設(shè)備制造商可以快速輕松地定制操作，并在比基于模擬的實(shí)現(xiàn)更廣泛的操作范圍內(nèi)限度地提高效率。Piccolo MCU 架構(gòu)的高集成度還優(yōu)化了整體性能，同時通過在單個芯片上集成完整的系統(tǒng)功能來降低系統(tǒng)成本。OEM 將通過系統(tǒng)成本優(yōu)化獲得快速的投資回報(bào)。