使用LLC 諧振轉換器實(shí)現最優(yōu)的數字電源控制

新型低成本、高性能微控制器(MCU)的出現，讓大量嵌入式工業(yè)控制應用也可以享受到數字電源控制所具有的諸多好處。傳統模擬電源系統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(kāi)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，模擬型系統靈活度不高，難以適應不同環(huán)境的工作條件，甚至對系統要求有嚴格的規定。

當我們使用數字方法進(jìn)行設計時(shí)，可以用軟件方式來(lái)實(shí)現電源系統部分，從而實(shí)現一定程度的靈活性，讓單個(gè)構架能夠在各種應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(kāi)發(fā)人員可以：

* 通過(guò)配置(在工廠(chǎng)里和上電使用時(shí))確保具有精確和可預見(jiàn)的系統表現，以解決組件容限問(wèn)題

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

* 通過(guò)動(dòng)態(tài)校準，實(shí)現長(cháng)系統壽命下的穩定性能

* 利用單個(gè)控制器，支持多系統

* 通過(guò)自我診斷，提高系統可靠性

* 利用通信鏈路，實(shí)現智能管理

* 允許開(kāi)發(fā)人員使用模型工具和C語(yǔ)言簡(jiǎn)化系統設計，無(wú)需在要求出現變化時(shí)重新進(jìn)行模擬設計

* 支持在同一顆MCU上實(shí)現其他系統功能，降低系統成本

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

當存在有源負載時(shí)，可利用各種系數對電壓補償器進(jìn)行微調，這顯示了該實(shí)現方法的靈活性。可編程軟啟動(dòng)/停止功能的使用以及轉換速率控制，可以避免產(chǎn)生浪涌電流，并降低有效噪聲。最后，開(kāi)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載和待機效率。

使用微控制器實(shí)現數字控制

選擇合適的MCU，以提供單個(gè)獨立控制器系統控制所需的所有必要性能和外圍器件。擁有足夠余量和專(zhuān)用外圍器件的MCU使開(kāi)發(fā)人員能夠實(shí)現更加高級的控制算法，從而在降低系統成本的同時(shí)進(jìn)一步提高性能。

微控制器很少會(huì )有一個(gè)專(zhuān)為數字控制應用優(yōu)化的構架，也很少會(huì )有用于增強高速信號處理的高級構架。主CPU內核需要內置許多DSP功能，例如單周期32x32位乘法累加(MAC)單元，以極大地提高計算處理速度。諸如模數轉換器(ADC)和PWM等集成控制外圍器件都具有非常高的靈活性，能夠輕松地適應各種使用需求，而且軟件開(kāi)銷(xiāo)極其的少。例如，ADC具有一個(gè)可編程自動(dòng)排序器，其通過(guò)特定順序的采樣做周期性循環(huán)，這樣在應用程序需要時(shí)便可準備好各項值。由于更加智能的控制外圍器件和強大的CPU內核，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)現各種突發(fā)模式(Burst Mode)配置，以增強輕負載效率

* 實(shí)時(shí)死區調節，可保證所有工作點(diǎn)的ZVS，并優(yōu)化效率

* 跳變區和內部比較器選項，可實(shí)現瞬間PWM 關(guān)閉，保證系統可靠性和安全性

* 高分辨率的頻率調節功能，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可輕松實(shí)現自定義，通過(guò)使用如PID和2P2Z等可編程電壓/電流調節器達到最佳性能。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)設置安全運行區邊界閾值(受限于可編程軟啟動(dòng)/停止功能)，防止出現災難性的故障。利用數字控制實(shí)現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)選項實(shí)現的轉換速率控制、多通道應用延時(shí)排序和編程以及待機和輕負載可編程突發(fā)模式功能。LLC 諧振轉換器

一種有名的數字電源拓撲結構便是諧振轉換器。盡管這種最為常見(jiàn)的諧振拓撲結構擁有高效率和低噪聲，但也存在幾個(gè)明顯的局限性。例如，轉換器理論上不能在空載或者輕載條件下進(jìn)行調節，并且在全負載時(shí)需要較寬的頻率變化才能對輸出進(jìn)行調節。在輕負載條件下，小諧振電流會(huì )產(chǎn)生零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)損耗。另外，能量再循環(huán)會(huì )降低高線(xiàn)壓或者輕負載效率。

LLC諧振拓撲結構簡(jiǎn)單，克服了傳統諧振拓撲存在的一些缺點(diǎn)。LLC諧振拓撲的優(yōu)點(diǎn)包括：

* 相比理想變壓器，這種變壓器的磁化電感(Lm)相對較小，因此可以實(shí)現初級端開(kāi)關(guān)的完全ZVS工作

* 由于開(kāi)關(guān)損耗更低且輸出電壓調節效果不變，因此擁有空負載到全負載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(kāi)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(wú)需外部并串聯(lián)電感。磁化和漏電感同時(shí)也為拓撲的組成部分

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

* 沒(méi)有二次濾波電感，實(shí)現了二次整流器的低電壓應力(受限于二次輸出電壓)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)操作

諧振轉換器驅動(dòng)器用于調節半橋開(kāi)關(guān)頻率，最終達到調節輸出的目的。但是，通過(guò)使用一個(gè)低成本的微控制器來(lái)調節頻率、占空比和死區，你可以獲得更好的總系統工作效率。圖1顯示了可變輸入、可變輸出的LLC轉換器系統。數字控制方法支持使用任何調節器—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)化系統自定義。

微控制器內部的嵌入式比較器和跳變區將會(huì )在系統出現短路、過(guò)載、過(guò)電壓、低電壓等情況時(shí)提供可編程保護。在控制軟件中，軟啟動(dòng)/停止功能可以避免出現浪涌電流，并降低有效噪聲?？删幊誊浰矐B(tài)選項可限制轉換速率，而系統則維持規定的基準電壓水平。利用綜合占空比和頻率控制對增益進(jìn)行調節，可以實(shí)現更平順的啟動(dòng)過(guò)程，并且不會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖或者強浪涌電流。讓系統在突發(fā)模式下運行涉及半橋脈寬調制器(PWM)的開(kāi)/關(guān)控制，但這樣做可以提高輕負載效率。最后，微控制器上的其他附加外圍器件應允許用戶(hù)對同步整流器進(jìn)行控制。

圖1a: LLC諧振轉換器系統級結構圖。

圖1b: 數字控制系統。

在次級端，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端或者次級端，具體取決于應用要求。

變壓器漏感和磁化電感也作為L(cháng)LC拓撲的組成部分，目的是最小化成本和尺寸。另外，也可以在樣機試制期間以外部方式實(shí)現漏感，以簡(jiǎn)化設計和故障排查。除此以外，可以選用外部電感，為優(yōu)化諧振回路設計以解決具體制造難題和設計取舍提供了靈活性。一些常見(jiàn)的諧振回路設計取舍考慮包括系統效率、工作頻率、輸出精度、轉換比率、傳導損耗與開(kāi)關(guān)損耗、系統頻率精度、最大/最小可達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LLC轉換器控制軟流程，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任務(wù)所用的低速、低優(yōu)先代碼。

一般而言，編寫(xiě)高速代碼的目的是獲得最大效率，實(shí)現更大帶寬的控制環(huán)路。該代碼常使用中斷服務(wù)程序(ISR)來(lái)調用，當此時(shí)會(huì )中斷后臺任務(wù)。就LLC轉換器而言，其開(kāi)關(guān)頻率可變，可能會(huì )使用兩個(gè)異步運行的ISR。一個(gè)ISR用于處理控制環(huán)路算法，并以固定頻率調用，目的是與采樣要求和控制規定相符。第二個(gè)ISR用于處理PWM模塊更新，并以PWM開(kāi)關(guān)頻率(變量)調用，目的是允許同步更新和最小化控制環(huán)路計算與更新之間的延遲。

當沒(méi)有ISR處于活躍狀態(tài)時(shí)在剩余時(shí)段執行較慢的后臺循環(huán)。這也就是執行一些系統任務(wù)的時(shí)候，例如：設備檢測、軟啟動(dòng)、開(kāi)/關(guān)延遲、保護機制、有源負載控制與通信等。我們建立一個(gè)任務(wù)狀態(tài)機，其為后臺代碼的組成部分。分別使用1ms、5ms和7.5ms用戶(hù)定義時(shí)段配置三個(gè) CPU 計時(shí)器，根據這些計時(shí)器來(lái)分組（A1, A2, A3…, B1, B2, B3…, C1, C2, C3…）執行任務(wù)。在每組內，以“循環(huán)”方式執行任務(wù)。例如，如果每5ms執行一次B組，并且B組共有3項任務(wù)，則每個(gè)“B任務(wù)”會(huì )每15ms執行一次。我們可以使用C編寫(xiě)“慢”任務(wù)，因為使用匯編代碼編寫(xiě)諧振轉換器控制算法需要花費更多的時(shí)間。

圖2: LLC諧振轉換器控制軟件流程圖。SR PWM計時(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計時(shí)在非零正電流期間MOSFET導通，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(zhù)，SR會(huì )在電流開(kāi)始時(shí)的零電流下導通，并在電流結束時(shí)的零電流下關(guān)斷，從而實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。

根據初級端開(kāi)關(guān)計時(shí)，可以輕松地實(shí)現SR開(kāi)通計時(shí)。這是因為，當初級端開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，SR電流在半周期之初開(kāi)始流動(dòng)。通過(guò)同時(shí)或者在其相應初級端半橋PWM之后不久設置SR PWM為開(kāi)通狀態(tài)，可在SR開(kāi)通期間實(shí)現ZCS。SR關(guān)斷計時(shí)要更難實(shí)現一點(diǎn)。這是因為，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)際上永遠不會(huì )在半周期結束以前達到零。在這種情況下，SR關(guān)斷計時(shí)剛好在半周期末尾處。盡管沒(méi)有實(shí)現 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到零。這種情況下，SR關(guān)斷計時(shí)也在半周期末尾處，但卻可以實(shí)現 ZCS。在諧振頻率以下，SR電流在半周期結束以前便達到零。

這會(huì )產(chǎn)生三種可能情況。第一，如果SR關(guān)斷過(guò)晚，則負電流通過(guò)SR MOSFET回流，這會(huì )導致元件損壞。第二，如果SR關(guān)斷過(guò)早，則達不到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)，則可以達到ZCS。就達到ZCS而言，第三種為理想情況。

設置SR關(guān)斷計時(shí)的方法有很多。一種簡(jiǎn)單的方法是選擇一個(gè)固定計時(shí)(相對于半周期開(kāi)始或者結束)，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)的方法是根據頻率調節SR關(guān)斷計時(shí)。這種方法可在所有頻率下實(shí)現ZCS，但是頻率突然改變后在諧振頻率以下運行會(huì )出現上述前面兩種情況之一，除非SR關(guān)閉計時(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)驗來(lái)確定每種實(shí)現所要求的SR關(guān)斷計時(shí)，而這是一項費時(shí)或者說(shuō)不切實(shí)際的工作。第三種方法是直接根據SR電流電平調節SR關(guān)斷計時(shí)。盡管這種方法要求使用更多的檢測電路，但卻可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，并降低計算要求。

瞬態(tài)調諧

要想保持環(huán)路調諧的簡(jiǎn)單并且不需要使用復雜的運算或者分析工具，必須通過(guò)將它們映射到一套更直觀(guān)的系數來(lái)考慮自由度數目。例如，使用五個(gè)2P2Z調節器系數項(B0, B1, B2, A1, A2)時(shí)，通過(guò)將這些項映射到P、I和D系數增益(可對每個(gè)進(jìn)行單獨調節)可以實(shí)現簡(jiǎn)化。這種方法要求出現周期性瞬態(tài)或者干擾，然后邊調節邊觀(guān)察輸出瞬態(tài)，同時(shí)轉換器電路板的內部有源負載可產(chǎn)生周期性干擾(參見(jiàn)圖3)。

圖3: 有源負載測試，使用各種調節器系數進(jìn)行全負載到空負載瞬態(tài)響應調諧。

補償器模塊有兩個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，并基于通用無(wú)限脈沖響應(IIR)濾波器結構。傳遞函數如下：

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域傳遞函數形式為：

/i>

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

諧振轉換器為輕負載或者無(wú)負載時(shí)，會(huì )有大量主電流流過(guò)變壓器磁化電感以保持軟開(kāi)關(guān)，這會(huì )帶來(lái)?yè)p耗，并極大降低輕負載效率。要想克服這個(gè)問(wèn)題，可讓轉換器運行在突發(fā)模式下，以保持最小的轉換器輸入損耗；當負載降至某個(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(kāi)關(guān)周期，頻率靠近固定頻率，而占空比由一些較長(cháng)的空載時(shí)段間隔。在這些時(shí)段內，開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，或者占空比設置情況如圖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。另外，平均開(kāi)關(guān)頻率相當的低，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。

圖4: 各種突發(fā)模式實(shí)施。

在這種實(shí)現中，突發(fā)模式開(kāi)/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重，我們可以定義低于5%輸出電壓的帶寬，來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉突發(fā)模式。另外，還可以增加軟件子程序來(lái)根據系統紋波限制情況對開(kāi)/關(guān)時(shí)段進(jìn)行調節。對比圖4a和圖4b，“開(kāi)”時(shí)間極大縮短，目的是提高輕負載效率。微控制器的靈活控制功能，讓廣大開(kāi)發(fā)人員能夠使用一種混合方法來(lái)實(shí)現突發(fā)模式運行，并能對占空比進(jìn)行調節。

圖4c顯示了一個(gè)限定在10% 在的占空比。它允許系統獲得更加平順的瞬態(tài)，降低浪涌電流，并減小各個(gè)器件承受的應力。根據不同的系統規范，開(kāi)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載或者空負載效率。

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

本文結論

許多OEM廠(chǎng)商都正轉向使用數字電源控制技術(shù)，旨在提高系統性能和效率。一些先進(jìn)的拓撲結構，例如：基于LLC諧振轉換器的拓撲結構，讓廣大原始設備制造商和終端用戶(hù)同時(shí)受益，其優(yōu)點(diǎn)包括低系統成本、高響應度、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(lái)的靈活性，原始設備制造商可以快速且輕松地自定義運行狀態(tài)，最大化運行效率，并且高效運行，范圍比模擬實(shí)現更寬。高集成度的Piccolo MCU構架，通過(guò)在單片上集成完成的系統功能降低了系統成本，同時(shí)還優(yōu)化了系統的總體性能。通過(guò)系統成本優(yōu)化、長(cháng)期軟件和工具兼容以及在所有電源控制應用之間運用大規模投資組合，原始設備制造商可以快速地獲得投資回報。