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(shì)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(kāi)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(méi)有靈活性來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡(jiǎn)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(shí)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(shì)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(kāi)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(méi)有靈活性來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡(jiǎn)單變化。

當(dāng)使用數(shù)字方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，部分電源系統(tǒng)可以用軟件實(shí)現(xiàn)，從而帶來(lái)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(kāi)發(fā)人員可以：

? 通過(guò)配置確保和可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)行為——無(wú)論是在工廠還是在通電時(shí)——以針對(duì)組件容差問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整
? 通過(guò)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(guò)動(dòng)態(tài)重新校準(zhǔn)在延長(zhǎng)的系統(tǒng)生命周期內(nèi)保持性能
? 使用單個(gè)控制器支持多個(gè)系統(tǒng)
? 通過(guò)自診斷提高系統(tǒng)可靠性
? 通過(guò)通信鏈路實(shí)現(xiàn)智能管理
? 通過(guò)允許開(kāi)發(fā)人員使用模型工具和 C 來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而不必在每次需求更改時(shí)重新設(shè)計(jì)模擬設(shè)計(jì)
? 通過(guò)在同一 MCU 上支持其他系統(tǒng)功能來(lái)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(shí)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(dòng)/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(kāi)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(lái)提供使用單個(gè)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(kāi)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(shí)降低系統(tǒng)成本。

很少有微控制器具有針對(duì)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(hào)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(kāi)銷(xiāo)非常小。例如，ADC 有一個(gè)可編程自動(dòng)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(shí)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(shí)數(shù)字控制所需的重要 PWM 功能，包括：

? 軟啟動(dòng)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(shí)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(shí) 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(guò)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(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)為安全操作區(qū)域邊界設(shè)置特定閾值來(lái)防止災(zāi)難性故障，這些閾值與可編程軟啟動(dòng)/停止功能相關(guān)。通過(guò)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(shí)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(shí)，常見(jiàn)的諧振拓?fù)溆袔讉€(gè)明顯的局限性。例如，轉(zhuǎn)換器理論上無(wú)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(gè)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(huì)導(dǎo)致零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 損失。此外，再循環(huán)能量會(huì)降低高線路或輕負(fù)載效率。

LLC 諧振拓?fù)涞暮?jiǎn)單結(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(jí)側(cè)開(kāi)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(duì)較小
? 由于在不降低輸出電壓調(diào)節(jié)的情況下降低開(kāi)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(méi)有次級(jí)濾波電感器，次級(jí)整流器上的低壓應(yīng)力（限制為兩倍輸出電壓）和零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 操作。此外，次級(jí)二極管的 ZCS 消除了其反向恢復(fù)問(wèn)題

諧振轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器旨在調(diào)節(jié)半橋的開(kāi)關(guān)頻率以調(diào)節(jié)輸出。然而，通過(guò)使用低成本微控制器來(lái)調(diào)整頻率、占空比和死區(qū)，可以使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高。圖 1 顯示了一個(gè)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(jiǎn)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(guò)載、過(guò)壓、掉電等情況下提供可編程保護(hù)。在控制軟件中，軟啟動(dòng)/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(shí)，可編程軟瞬變選項(xiàng)會(huì)限制轉(zhuǎn)換率。通過(guò)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(dòng)曲線，而不會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖或高浪涌電流。通過(guò)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(kāi)/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(jí)框圖

 

圖 1b 數(shù)字控制系統(tǒng)

如圖所示，在次級(jí)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(jí)側(cè)或次級(jí)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?，以限度地降低成本和尺寸?；蛘?，可以在原型制作期間在外部實(shí)施漏感，以簡(jiǎn)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(jiàn)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(kāi)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(jí) 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(jí)代碼和用于初始化和后臺(tái)任務(wù)的低速、低優(yōu)先級(jí)代碼。

高速代碼通常以效率編寫(xiě)，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(shí)能夠中斷后臺(tái)任務(wù)。對(duì)于以可變開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行的 LLC 轉(zhuǎn)換器，可能會(huì)使用兩個(gè)異步運(yùn)行的 ISR。一個(gè) 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(gè) ISR 將用于處理 PWM 模塊更新并以 PWM 開(kāi)關(guān)頻率（可變）調(diào)用，以允許同時(shí)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(méi)有 ISR 處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，較慢的后臺(tái)循環(huán)將在剩余時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行。這是執(zhí)行儀表、軟啟動(dòng)、開(kāi)/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(tái)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(gè) CPU 定時(shí)器執(zhí)行，這些定時(shí)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(gè)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(gè)任務(wù)，則每個(gè)“B 任務(wù)”將每 15 毫秒執(zhí)行?！奥佟比蝿?wù)可以用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，而時(shí)間要求更高的諧振轉(zhuǎn)換器控制算法則用匯編代碼編寫(xiě)。

圖 2：LLC 諧振轉(zhuǎn)換器控制軟件流程圖

SR PWM 時(shí)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(shí)序?qū)⑹?MOSFET 在非零正電流期間導(dǎo)通，并在所有其他時(shí)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(kāi)始時(shí)以零電流開(kāi)啟，并在電流結(jié)束時(shí)以零電流關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān) (ZCS)。

可以根據(jù)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)序輕松獲得 SR 開(kāi)啟時(shí)序。這是因?yàn)楫?dāng)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，SR 電流在半周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)始流動(dòng)。通過(guò)將 SR PWM 設(shè)置為在其對(duì)應(yīng)的初級(jí)側(cè)半橋 PWM 的同時(shí)或稍晚開(kāi)啟，可以在 SR 開(kāi)啟期間實(shí)現(xiàn) ZCS。SR 關(guān)斷時(shí)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(huì)達(dá)到零。在這種情況下，SR 關(guān)閉時(shí)序只是在半周期結(jié)束時(shí)。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(shí)達(dá)到零。在這個(gè)情況下，SR 關(guān)斷時(shí)序也是在半周期結(jié)束時(shí)，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(huì)反向流過(guò) 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(guò)早關(guān)閉，則無(wú)法實(shí)現(xiàn) ZCS 并會(huì)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(shí)序的方法有很多種。一種簡(jiǎn)單的方法是選擇固定時(shí)序（相對(duì)于半周期的開(kāi)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(huì)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(shí)序。這將允許所有頻率的 ZCS，但是，除非 SR 關(guān)閉時(shí)序更新得足夠快，否則在頻率突然偏移后可能會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定每個(gè)實(shí)施所需的 SR 關(guān)閉時(shí)序，這可能非常耗時(shí)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(shí)序。這將需要額外的感測(cè)電路，但可以簡(jiǎn)化開(kāi)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(jiǎn)單并避免使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)或分析工具，必須通過(guò)將自由度重新映射到一組更直觀的系數(shù)來(lái)考慮自由度的數(shù)量。例如，使用五個(gè) 2P2Z 穩(wěn)壓器系數(shù)項(xiàng)（B0、B1、B2、A1 和 A2）可以通過(guò)將這些項(xiàng)重新映射到 P、I 和 D 系數(shù)增益來(lái)簡(jiǎn)化，每個(gè)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(shí)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(jiàn)圖 3）。

補(bǔ)償器塊具有兩個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，并且基于通用的無(wú)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(guò)是 CNTL_2P2Z 控制的一個(gè)特例，其中 A1 = -1 且 A2 = 0。

圖 3 有源負(fù)載測(cè)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(shí)，會(huì)有大量初級(jí)電流流過(guò)變壓器的磁化電感以維持軟開(kāi)關(guān)，從而引入損耗并顯著降低輕載效率。為了克服這個(gè)問(wèn)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(gè)值時(shí)，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(kāi)關(guān)周期和一個(gè)由長(zhǎng)空閑周期隔開(kāi)的占空比，其中開(kāi)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(kāi)/關(guān)決策基于輸出紋波。由于紋波量在空載時(shí)并不重要，因此可以定義小于輸出電壓 5% 的帶寬來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉突發(fā)模式。此外，還可以添加一個(gè)軟件子程序，根據(jù)系統(tǒng)紋波限制調(diào)整開(kāi)/關(guān)周期。將圖 4a 與進(jìn)行比較時(shí)，可以顯著減少導(dǎo)通時(shí)間以提高輕負(fù)載效率。微控制器靈活的控制能力將使開(kāi)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(gè)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(kāi)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(dòng)。LLC 轉(zhuǎn)換器初往往會(huì)消耗巨大的電流，這可以通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率增加到高達(dá)三倍的值來(lái)控制。通過(guò)混合方法，可以在相對(duì)較低的開(kāi)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(lái)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(guò)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(shí)通過(guò)在單個(gè)芯片上集成完整的系統(tǒng)功能來(lái)降低系統(tǒng)成本。OEM 將通過(guò)系統(tǒng)成本優(yōu)化獲得快速的投資回報(bào)。