使用LLC 諧振轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)字電源控制

本文作者向我們介紹了一款使用線路電平控制(LLC)諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源控制實(shí)施方案，該轉(zhuǎn)換器基于一款靈活的 32 位低成本高性能微控制器。文章還探討了數(shù)字電源控制的一些關(guān)鍵要素，包括占空比控制、死區(qū)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、頻率控制以及不同安全運(yùn)行區(qū)維持自適應(yīng)閾值。

新型低成本、高性能微控制器(MCU)的出現(xiàn)，讓大量嵌入式工業(yè)控制應(yīng)用也可以享受到數(shù)字電源控制所具有的諸多好處。傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)很容易受到一些因素的影響，例如：頻率漂移、元件老化、溫度引起的變化以及元件容限退化等等。另外，廣大開發(fā)人員常常拘泥于一些經(jīng)典的控制實(shí)施方案。除此以外，模擬型系統(tǒng)靈活度不高，難以適應(yīng)不同環(huán)境的工作條件，甚至對(duì)系統(tǒng)要求有嚴(yán)格的規(guī)定。

當(dāng)我們使用數(shù)字方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以用軟件方式來實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)部分，從而實(shí)現(xiàn)一定程度的靈活性，讓單個(gè)構(gòu)架能夠在各種應(yīng)用之間和各種工作條件下都能提供最佳的性能。利用軟件控制算法，開發(fā)人員可以：

* 通過配置(在工廠里和上電使用時(shí))確保具有精確和可預(yù)見的系統(tǒng)表現(xiàn)，以解決組件容限問題

* 使用高級(jí)算法（例如：非線性、多變量等）提高效率，但在模擬型系統(tǒng)中并不可行

* 通過動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)系統(tǒng)壽命下的穩(wěn)定性能

* 利用單個(gè)控制器，支持多系統(tǒng)

* 通過自我診斷，提高系統(tǒng)可靠性

* 利用通信鏈路，實(shí)現(xiàn)智能管理

* 允許開發(fā)人員使用模型工具和C語言簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無需在要求出現(xiàn)變化時(shí)重新進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)

* 支持在同一顆MCU上實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)功能，降低系統(tǒng)成本

本文為我們介紹了一種使用線路電平控制(LLC)諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源控制實(shí)施方案，該轉(zhuǎn)換器基于一款靈活的32位低成本高性能微控制器。文章探討了數(shù)字電源控制的一些關(guān)鍵要素，包括占空比控制、死區(qū)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、頻率控制以及維持不同安全運(yùn)行區(qū)的自適應(yīng)閾值。

當(dāng)存在有源負(fù)載時(shí)，可利用各種系數(shù)對(duì)電壓補(bǔ)償器進(jìn)行微調(diào)，這顯示了該實(shí)現(xiàn)方法的靈活性。可編程軟啟動(dòng)/停止功能的使用以及轉(zhuǎn)換速率控制，可以避免產(chǎn)生浪涌電流，并降低有效噪聲。最后，開發(fā)人員還可以看到混合突發(fā)模式(Hybrid Burst Mode)控制可以極大地提高輕負(fù)載和待機(jī)效率。

使用微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制

選擇合適的MCU，以提供單個(gè)獨(dú)立控制器系統(tǒng)控制所需的所有必要性能和外圍器件。擁有足夠余量和專用外圍器件的MCU使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更加高級(jí)的控制算法，從而在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)進(jìn)一步提高性能。

微控制器很少會(huì)有一個(gè)專為數(shù)字控制應(yīng)用優(yōu)化的構(gòu)架，也很少會(huì)有用于增強(qiáng)高速信號(hào)處理的高級(jí)構(gòu)架。主CPU內(nèi)核需要內(nèi)置許多DSP功能，例如單周期32x32位乘法累加(MAC)單元，以極大地提高計(jì)算處理速度。諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和PWM等集成控制外圍器件都具有非常高的靈活性，能夠輕松地適應(yīng)各種使用需求，而且軟件開銷極其的少。例如，ADC具有一個(gè)可編程自動(dòng)排序器，其通過特定順序的采樣做周期性循環(huán)，這樣在應(yīng)用程序需要時(shí)便可準(zhǔn)備好各項(xiàng)值。由于更加智能的控制外圍器件和強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，控制環(huán)路可以更加緊湊，從而提高了控制算法的動(dòng)態(tài)特性，并降低干擾。

微控制器需要提供實(shí)時(shí)數(shù)字控制所需的重要PWM特性包括：

* 軟啟動(dòng)占空比控制，可避免浪涌電流，實(shí)現(xiàn)各種突發(fā)模式(Burst Mode)配置，以增強(qiáng)輕負(fù)載效率

* 實(shí)時(shí)死區(qū)調(diào)節(jié)，可保證所有工作點(diǎn)的ZVS，并優(yōu)化效率

* 跳變區(qū)和內(nèi)部比較器選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)瞬間PWM 關(guān)閉，保證系統(tǒng)可靠性和安全性

* 高分辨率的頻率調(diào)節(jié)功能，可提供低至150ps的輸出電壓精度

與模擬控制器不同，使用微控制器的系統(tǒng)可輕松實(shí)現(xiàn)自定義，通過使用如PID和2P2Z等可編程電壓/電流調(diào)節(jié)器達(dá)到最佳性能。開發(fā)人員可以通過設(shè)置安全運(yùn)行區(qū)邊界閾值(受限于可編程軟啟動(dòng)/停止功能)，防止出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。利用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的其他功能還包括浪涌電流避免、有效噪聲抑制、使用可編程軟瞬態(tài)選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換速率控制、多通道應(yīng)用延時(shí)排序和編程以及待機(jī)和輕負(fù)載可編程突發(fā)模式功能。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器

一種有名的數(shù)字電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便是諧振轉(zhuǎn)換器。盡管這種最為常見的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有高效率和低噪聲，但也存在幾個(gè)明顯的局限性。例如，轉(zhuǎn)換器理論上不能在空載或者輕載條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在全負(fù)載時(shí)需要較寬的頻率變化才能對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。在輕負(fù)載條件下，小諧振電流會(huì)產(chǎn)生零電壓開關(guān)(ZVS)損耗。另外，能量再循環(huán)會(huì)降低高線壓或者輕負(fù)載效率。

LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，克服了傳統(tǒng)諧振拓?fù)浯嬖诘囊恍┤秉c(diǎn)。LLC諧振拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)包括：

* 相比理想變壓器，這種變壓器的磁化電感(Lm)相對(duì)較小，因此可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)端開關(guān)的完全ZVS工作

* 由于開關(guān)損耗更低且輸出電壓調(diào)節(jié)效果不變，因此擁有空負(fù)載到全負(fù)載ZVS的高效率和高功率密度

* 由于使用了ZVS并在零漏電壓條件下進(jìn)行開關(guān)操作，因此電磁干擾(EMI)更低，濾波要求也更低

* 集成變壓器，無需外部并串聯(lián)電感。磁化和漏電感同時(shí)也為拓?fù)涞慕M成部分

* 低電流條件下進(jìn)行開關(guān)的關(guān)閉操作，關(guān)閉損耗更低

* 沒有二次濾波電感，實(shí)現(xiàn)了二次整流器的低電壓應(yīng)力(受限于二次輸出電壓)和零電流開關(guān)(ZCS)操作

諧振轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器用于調(diào)節(jié)半橋開關(guān)頻率，最終達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的。但是，通過使用一個(gè)低成本的微控制器來調(diào)節(jié)頻率、占空比和死區(qū)，你可以獲得更好的總系統(tǒng)工作效率。圖1顯示了可變輸入、可變輸出的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)和雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)(2P2Z)等——因此可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)自定義。

微控制器內(nèi)部的嵌入式比較器和跳變區(qū)將會(huì)在系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過載、過電壓、低電壓等情況時(shí)提供可編程保護(hù)。在控制軟件中，軟啟動(dòng)/停止功能可以避免出現(xiàn)浪涌電流，并降低有效噪聲?？删幊誊浰矐B(tài)選項(xiàng)可限制轉(zhuǎn)換速率，而系統(tǒng)則維持規(guī)定的基準(zhǔn)電壓水平。利用綜合占空比和頻率控制對(duì)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)更平順的啟動(dòng)過程，并且不會(huì)產(chǎn)生過沖或者強(qiáng)浪涌電流。讓系統(tǒng)在突發(fā)模式下運(yùn)行涉及半橋脈寬調(diào)制器(PWM)的開/關(guān)控制，但這樣做可以提高輕負(fù)載效率。最后，微控制器上的其他附加外圍器件應(yīng)允許用戶對(duì)同步整流器進(jìn)行控制。

圖1a: LLC諧振轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)圖。

圖1b: 數(shù)字控制系統(tǒng)。

在次級(jí)端，組合使用不同的二極管電路或者同步整流方法，可以提高整體效率，如圖所示。我們可以將該微控制器放置于初級(jí)端或者次級(jí)端，具體取決于應(yīng)用要求。

變壓器漏感和磁化電感也作為L(zhǎng)LC拓?fù)涞慕M成部分，目的是最小化成本和尺寸。另外，也可以在樣機(jī)試制期間以外部方式實(shí)現(xiàn)漏感，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和故障排查。除此以外，可以選用外部電感，為優(yōu)化諧振回路設(shè)計(jì)以解決具體制造難題和設(shè)計(jì)取舍提供了靈活性。一些常見的諧振回路設(shè)計(jì)取舍考慮包括系統(tǒng)效率、工作頻率、輸出精度、轉(zhuǎn)換比率、傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗、系統(tǒng)頻率精度、最大/最小可達(dá)頻率以及不斷變化的輸入-輸出要求等。

軟件流程

圖2顯示了單級(jí)LLC轉(zhuǎn)換器控制軟流程，其被劃分為兩個(gè)部分：控制相關(guān)算法所用的高速、高優(yōu)先代碼和初始化及后臺(tái)任務(wù)所用的低速、低優(yōu)先代碼。

一般而言，編寫高速代碼的目的是獲得最大效率，實(shí)現(xiàn)更大帶寬的控制環(huán)路。該代碼常使用中斷服務(wù)程序(ISR)來調(diào)用，當(dāng)此時(shí)會(huì)中斷后臺(tái)任務(wù)。就LLC轉(zhuǎn)換器而言，其開關(guān)頻率可變，可能會(huì)使用兩個(gè)異步運(yùn)行的ISR。一個(gè)ISR用于處理控制環(huán)路算法，并以固定頻率調(diào)用，目的是與采樣要求和控制規(guī)定相符。第二個(gè)ISR用于處理PWM模塊更新，并以PWM開關(guān)頻率(變量)調(diào)用，目的是允許同步更新和最小化控制環(huán)路計(jì)算與更新之間的延遲。

當(dāng)沒有ISR處于活躍狀態(tài)時(shí)在剩余時(shí)段執(zhí)行較慢的后臺(tái)循環(huán)。這也就是執(zhí)行一些系統(tǒng)任務(wù)的時(shí)候，例如：設(shè)備檢測(cè)、軟啟動(dòng)、開/關(guān)延遲、保護(hù)機(jī)制、有源負(fù)載控制與通信等。我們建立一個(gè)任務(wù)狀態(tài)機(jī)，其為后臺(tái)代碼的組成部分。分別使用1ms、5ms和7.5ms用戶定義時(shí)段配置三個(gè) CPU 計(jì)時(shí)器，根據(jù)這些計(jì)時(shí)器來分組（A1, A2, A3…, B1, B2, B3…, C1, C2, C3…）執(zhí)行任務(wù)。在每組內(nèi)，以“循環(huán)”方式執(zhí)行任務(wù)。例如，如果每5ms執(zhí)行一次B組，并且B組共有3項(xiàng)任務(wù)，則每個(gè)“B任務(wù)”會(huì)每15ms執(zhí)行一次。我們可以使用C編寫“慢”任務(wù)，因?yàn)槭褂脜R編代碼編寫諧振轉(zhuǎn)換器控制算法需要花費(fèi)更多的時(shí)間。

圖2: LLC諧振轉(zhuǎn)換器控制軟件流程圖。SR PWM計(jì)時(shí)考慮因素

同步整流器(SR)電流具有正半波正弦形狀。理想的SR計(jì)時(shí)在非零正電流期間MOSFET導(dǎo)通，并在其他時(shí)段截止，這種操作方式與二極管一樣。這意味著，SR會(huì)在電流開始時(shí)的零電流下導(dǎo)通，并在電流結(jié)束時(shí)的零電流下關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)。

根據(jù)初級(jí)端開關(guān)計(jì)時(shí)，可以輕松地實(shí)現(xiàn)SR開通計(jì)時(shí)。這是因?yàn)椋?dāng)初級(jí)端開關(guān)開通時(shí)，SR電流在半周期之初開始流動(dòng)。通過同時(shí)或者在其相應(yīng)初級(jí)端半橋PWM之后不久設(shè)置SR PWM為開通狀態(tài)，可在SR開通期間實(shí)現(xiàn)ZCS。SR關(guān)斷計(jì)時(shí)要更難實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)。這是因?yàn)椋琒R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)際上永遠(yuǎn)不會(huì)在半周期結(jié)束以前達(dá)到零。在這種情況下，SR關(guān)斷計(jì)時(shí)剛好在半周期末尾處。盡管沒有實(shí)現(xiàn) ZCS，但這種方法的功耗最小。諧振頻率時(shí)，SR電流在半周期末尾處達(dá)到零。這種情況下，SR關(guān)斷計(jì)時(shí)也在半周期末尾處，但卻可以實(shí)現(xiàn) ZCS。在諧振頻率以下，SR電流在半周期結(jié)束以前便達(dá)到零。

這會(huì)產(chǎn)生三種可能情況。第一，如果SR關(guān)斷過晚，則負(fù)電流通過SR MOSFET回流，這會(huì)導(dǎo)致元件損壞。第二，如果SR關(guān)斷過早，則達(dá)不到ZCS，并且會(huì)產(chǎn)生額外功耗。第三，如果SR關(guān)閉發(fā)生在零交叉點(diǎn)，則可以達(dá)到ZCS。就達(dá)到ZCS而言，第三種為理想情況。

設(shè)置SR關(guān)斷計(jì)時(shí)的方法有很多。一種簡(jiǎn)單的方法是選擇一個(gè)固定計(jì)時(shí)(相對(duì)于半周期開始或者結(jié)束)，它可以確保所有頻率下SR在ZCS點(diǎn)或者更早關(guān)閉，從而利用SR的優(yōu)點(diǎn)，并且不損壞元件。第二種更加先進(jìn)的方法是根據(jù)頻率調(diào)節(jié)SR關(guān)斷計(jì)時(shí)。這種方法可在所有頻率下實(shí)現(xiàn)ZCS，但是頻率突然改變后在諧振頻率以下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)上述前面兩種情況之一，除非SR關(guān)閉計(jì)時(shí)更新的足夠快。不管是這兩種方法中的哪一種，都要求做實(shí)驗(yàn)來確定每種實(shí)現(xiàn)所要求的SR關(guān)斷計(jì)時(shí)，而這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)或者說不切實(shí)際的工作。第三種方法是直接根據(jù)SR電流電平調(diào)節(jié)SR關(guān)斷計(jì)時(shí)。盡管這種方法要求使用更多的檢測(cè)電路，但卻可以簡(jiǎn)化開發(fā)過程，并降低計(jì)算要求。

瞬態(tài)調(diào)諧

要想保持環(huán)路調(diào)諧的簡(jiǎn)單并且不需要使用復(fù)雜的運(yùn)算或者分析工具，必須通過將它們映射到一套更直觀的系數(shù)來考慮自由度數(shù)目。例如，使用五個(gè)2P2Z調(diào)節(jié)器系數(shù)項(xiàng)(B0, B1, B2, A1, A2)時(shí)，通過將這些項(xiàng)映射到P、I和D系數(shù)增益(可對(duì)每個(gè)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié))可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。這種方法要求出現(xiàn)周期性瞬態(tài)或者干擾，然后邊調(diào)節(jié)邊觀察輸出瞬態(tài)，同時(shí)轉(zhuǎn)換器電路板的內(nèi)部有源負(fù)載可產(chǎn)生周期性干擾(參見圖3)。

圖3: 有源負(fù)載測(cè)試，使用各種調(diào)節(jié)器系數(shù)進(jìn)行全負(fù)載到空負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)諧。

補(bǔ)償器模塊有兩個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，并基于通用無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器結(jié)構(gòu)。傳遞函數(shù)如下：

公式1

PID控制器的遞歸形式如下面差分方程式：

公式2

其中:

公式3

方程式的Z域傳遞函數(shù)形式為：

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將其與通用式對(duì)比后，我們可以看出PID只不過是一種特殊的CNTL_2P2Z控制，其中A1 = -1并且A2 = 0。突發(fā)模式運(yùn)行

諧振轉(zhuǎn)換器為輕負(fù)載或者無負(fù)載時(shí)，會(huì)有大量主電流流過變壓器磁化電感以保持軟開關(guān)，這會(huì)帶來損耗，并極大降低輕負(fù)載效率。要想克服這個(gè)問題，可讓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在突發(fā)模式下，以保持最小的轉(zhuǎn)換器輸入損耗；當(dāng)負(fù)載降至某個(gè)值以下時(shí)，程序便進(jìn)入突發(fā)模式。突發(fā)模式是一系列的開關(guān)周期，頻率靠近固定頻率，而占空比由一些較長(zhǎng)的空載時(shí)段間隔。在這些時(shí)段內(nèi)，開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，或者占空比設(shè)置情況如圖4所示。利用這種方法，諧振回路電流平均值可降低至幾乎可以忽略不計(jì)。另外，平均開關(guān)頻率相當(dāng)?shù)牡?，從而降低開關(guān)損耗。

圖4: 各種突發(fā)模式實(shí)施。

在這種實(shí)現(xiàn)中，突發(fā)模式開/關(guān)判定均基于輸出紋波。由于空載條件下的紋波量并不嚴(yán)重，我們可以定義低于5%輸出電壓的帶寬，來開啟和關(guān)閉突發(fā)模式。另外，還可以增加軟件子程序來根據(jù)系統(tǒng)紋波限制情況對(duì)開/關(guān)時(shí)段進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)比圖4a和圖4b，“開”時(shí)間極大縮短，目的是提高輕負(fù)載效率。微控制器的靈活控制功能，讓廣大開發(fā)人員能夠使用一種混合方法來實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式運(yùn)行，并能對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4c顯示了一個(gè)限定在10% 在的占空比。它允許系統(tǒng)獲得更加平順的瞬態(tài)，降低浪涌電流，并減小各個(gè)器件承受的應(yīng)力。根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)范，開發(fā)人員可在眾多備選方法中選擇出一種最佳的組合，旨在獲得最高的輕負(fù)載或者空負(fù)載效率。

除突發(fā)模式外，混合方法還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)。LLC轉(zhuǎn)換器一開始往往會(huì)吸取大量電流，而這些電流可以通過增加開關(guān)頻率（最大可高出三倍）來控制。利用混合方法，可以在相對(duì)較低的開關(guān)頻率下有效地抑制浪涌電流。

本文結(jié)論

許多OEM廠商都正轉(zhuǎn)向使用數(shù)字電源控制技術(shù)，旨在提高系統(tǒng)性能和效率。一些先進(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)，讓廣大原始設(shè)備制造商和終端用戶同時(shí)受益，其優(yōu)點(diǎn)包括低系統(tǒng)成本、高響應(yīng)度、高可靠性和最優(yōu)電源效率。利用集成硬件組件可編程方法帶來的靈活性，原始設(shè)備制造商可以快速且輕松地自定義運(yùn)行狀態(tài)，最大化運(yùn)行效率，并且高效運(yùn)行，范圍比模擬實(shí)現(xiàn)更寬。高集成度的Piccolo MCU構(gòu)架，通過在單片上集成完成的系統(tǒng)功能降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)還優(yōu)化了系統(tǒng)的總體性能。通過系統(tǒng)成本優(yōu)化、長(zhǎng)期軟件和工具兼容以及在所有電源控制應(yīng)用之間運(yùn)用大規(guī)模投資組合，原始設(shè)備制造商可以快速地獲得投資回報(bào)。