使用 LLC 諧振轉換器的數字電源控制

隨著(zhù)新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數字電源控制的優(yōu)勢可以被引入到范圍廣泛的嵌入式、工業(yè)和控制應用中。傳統的模擬系統容易受到漂移、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。此外，基于模擬的系統幾乎沒(méi)有靈活性來(lái)適應不同的環(huán)境操作條件，甚至無(wú)法適應系統要求的簡(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(xiàn)路電平控制 (LLC) 諧振轉換器。探討了數字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實(shí)時(shí)死區調整、頻率控制以及用于維持不同安全操作區域的自適應閾值。

隨著(zhù)新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數字電源控制的優(yōu)勢可以被引入到范圍廣泛的嵌入式、工業(yè)和控制應用中。傳統的模擬系統容易受到漂移、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。此外，基于模擬的系統幾乎沒(méi)有靈活性來(lái)適應不同的環(huán)境操作條件，甚至無(wú)法適應系統要求的簡(jiǎn)單變化。

當使用數字方法進(jìn)行設計時(shí)，部分電源系統可以用軟件實(shí)現，從而帶來(lái)一定程度的靈活性，使單一架構能夠在一系列應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)配置確保和可預測的系統行為——無(wú)論是在工廠(chǎng)還是在通電時(shí)——以針對組件容差問(wèn)題進(jìn)行調整
? 通過(guò)使用算法（即非線(xiàn)性、多變量等）提高效率，這些算法在基于模擬的系統中實(shí)施是不可行的
? 通過(guò)動(dòng)態(tài)重新校準在延長(cháng)的系統生命周期內保持性能
? 使用單個(gè)控制器支持多個(gè)系統
? 通過(guò)自診斷提高系統可靠性
? 通過(guò)通信鏈路實(shí)現智能管理
? 通過(guò)允許開(kāi)發(fā)人員使用模型工具和 C 來(lái)簡(jiǎn)化系統設計，而不必在每次需求更改時(shí)重新設計模擬設計
? 通過(guò)在同一 MCU 上支持其他系統功能來(lái)降低系統成本

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(xiàn)路電平控制）諧振轉換器的數字電源控制實(shí)現。將探討數字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實(shí)時(shí)死區調整、頻率控制和自適應閾值以保持不同的安全操作區域。

在有源負載期間使用系數調整電壓補償器將展示實(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(zhù)提高輕載和待機效率。

使用微控制器進(jìn)行數字控制

考慮使用合適的 MCU 來(lái)提供使用單個(gè)獨立控制器控制系統所需的所有必要性能和外圍設備。具有充足裕量和專(zhuān)用外設的 MCU 將使開(kāi)發(fā)人員能夠實(shí)施更先進(jìn)的控制算法，以進(jìn)一步提高性能，同時(shí)降低系統成本。

很少有微控制器具有針對數字控制應用優(yōu)化的架構，具有先進(jìn)的架構功能以增強高速信號處理。主 CPU 內核需要內置 DSP 功能，例如單周期 32 x 32 位乘法和累加 (MAC) 單元，以大大加快計算處理速度。模數轉換器 (ADC) 和 PWM 等集成控制外設設計得非常靈活，可以輕松適應幾乎所有用途，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，以便在應用程序需要時(shí)準備好值。擁有更智能的控制外設和強大的 CPU 內核，控制環(huán)路運行更緊密，

微控制器需要提供實(shí)時(shí)數字控制所需的重要 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載效率
? 實(shí)時(shí)死區可調性保證所有工作點(diǎn)的 ZVS 并優(yōu)化效率
? 觸發(fā)區和內部比較器選項可實(shí)現瞬時(shí) PWM 禁用，以確保系統的可靠性和安全性
? 低至 150 ps 的高分辨率頻率調節能力，可實(shí)現的輸出電壓調節

與模擬控制器不同，使用微控制器的系統可以通過(guò)使用 PID 和 2P2Z 等可編程電壓/電流調節器輕松定制以實(shí)現性能。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)為安全操作區域邊界設置特定閾值來(lái)防止災難性故障，這些閾值與可編程軟啟動(dòng)/停止功能相關(guān)。通過(guò)數字控制實(shí)現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)選項限制轉換速率、用于多通道應用的排序和可編程延遲時(shí)間，以及用于待機和輕型的可編程突發(fā)模式功能負載。

LLC 諧振轉換器 

眾所周知的數字電源拓撲之一是諧振轉換器。在提供高效率和低噪聲的同時(shí)，常見(jiàn)的諧振拓撲有幾個(gè)明顯的局限性。例如，轉換器理論上無(wú)法在空載或輕載條件下進(jìn)行調節，并且需要寬頻率變化才能在整個(gè)負載范圍內調節輸出。在輕載條件下，小諧振電流會(huì )導致零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 損失。此外，再循環(huán)能量會(huì )降低高線(xiàn)路或輕負載效率。

LLC 諧振拓撲的簡(jiǎn)單結構克服了傳統諧振拓撲的缺點(diǎn)。LLC 諧振拓撲的優(yōu)點(diǎn)包括：

? 初級側開(kāi)關(guān)的完全 ZVS 操作是可能的，因為與理想變壓器相比，變壓器的磁化電感 (Lm) 相對較小
? 由于在不降低輸出電壓調節的情況下降低開(kāi)關(guān)損耗，從空載到滿(mǎn)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撲的一部分
? 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)有次級濾波電感器，次級整流器上的低壓應力（限制為兩倍輸出電壓）和零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 操作。此外，次級二極管的 ZCS 消除了其反向恢復問(wèn)題

諧振轉換器驅動(dòng)器旨在調節半橋的開(kāi)關(guān)頻率以調節輸出。然而，通過(guò)使用低成本微控制器來(lái)調整頻率、占空比和死區，可以使整個(gè)系統的運行效率更高。圖 1 顯示了一個(gè)可變輸入、可變輸出 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) 和雙極二零 (2P2Z)——從而簡(jiǎn)化了系統的定制。

微控制器內的嵌入式比較器和跳閘區需要在短路、過(guò)載、過(guò)壓、掉電等情況下提供可編程保護。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。當系統遵循給定的參考電壓電平時(shí)，可編程軟瞬變選項會(huì )限制轉換率。通過(guò)混合占空比和頻率控制進(jìn)行增益調整，可實(shí)現更平滑的啟動(dòng)曲線(xiàn)，而不會(huì )導致過(guò)沖或高浪涌電流。通過(guò)以突發(fā)模式運行系統可提高輕負載效率，這涉及半橋脈寬調制器 (PWM) 的開(kāi)/關(guān)控制。，微控制器上的附加外設應允許用戶(hù)控制同步整流器。

圖 1a LLC 諧振轉換器的系統級框圖

 

圖 1b 數字控制系統

如圖所示，在次級側，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或次級側，具體取決于應用要求。

變壓器漏電和磁化電感用作 LLC 拓撲的一部分，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)化設計和故障排除。此外，使用外部電感器的能力提供了優(yōu)化諧振回路設計的靈活性，以解決特定的制造困難和設計權衡。一些常見(jiàn)的諧振回路設計權衡是系統效率、工作頻率、輸出精度、轉換比、傳導損耗與開(kāi)關(guān)損耗、系統頻率分辨率、/可實(shí)現頻率和可變輸入輸出要求。

軟件流程

圖 2 顯示了單級 LLC 轉換器控制軟件流程，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(xiě)，以實(shí)現更大帶寬的控制環(huán)路。此代碼使用中斷服務(wù)例程 (ISR) 調用，中斷服務(wù)例程在調用時(shí)能夠中斷后臺任務(wù)。對于以可變開(kāi)關(guān)頻率運行的 LLC 轉換器，可能會(huì )使用兩個(gè)異步運行的 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）調用，以允許同時(shí)更新并限度地減少控制環(huán)路計算和更新之間的延遲。

當沒(méi)有 ISR 處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，較慢的后臺循環(huán)將在剩余時(shí)間間隔內執行。這是執行儀表、軟啟動(dòng)、開(kāi)/關(guān)延遲、保護機制、有源負載控制和通信等系統任務(wù)的地方。任務(wù)狀態(tài)機已作為后臺代碼的一部分實(shí)現。任務(wù)按組排列（A1、A2、A3…、B1、B2、B3…、C1、C2、C3…）并根據三個(gè) CPU 定時(shí)器執行，這些定時(shí)器配置有用戶(hù)定義的周期 1 ms、5 ms 和分別為 7.5 毫秒。任務(wù)在每個(gè)組內以“循環(huán)”方式執行。例如，如果 B 組每 5 毫秒執行并且有 3 個(gè)任務(wù)，則每個(gè)“B 任務(wù)”將每 15 毫秒執行?！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換器控制算法則用匯編代碼編寫(xiě)。

圖 2：LLC 諧振轉換器控制軟件流程圖

SR PWM 時(shí)序注意事項 

同步整流器 (SR) 電流具有正半波正弦波形狀。理想的 SR 時(shí)序將使 MOSFET 在非零正電流期間導通，并在所有其他時(shí)間關(guān)閉，這與二極管的導通方式相同。這意味著(zhù) SR 將在電流開(kāi)始時(shí)以零電流開(kāi)啟，并在電流結束時(shí)以零電流關(guān)閉，從而實(shí)現零電流開(kāi)關(guān) (ZCS)。

可以根據初級側開(kāi)關(guān)時(shí)序輕松獲得 SR 開(kāi)啟時(shí)序。這是因為當初級側開(kāi)關(guān)導通時(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 設置為在其對應的初級側半橋 PWM 的同時(shí)或稍晚開(kāi)啟，可以在 SR 開(kāi)啟期間實(shí)現 ZCS。SR 關(guān)斷時(shí)序更難獲得。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)際上在半周期結束之前永遠不會(huì )達到零。在這種情況下，SR 關(guān)閉時(shí)序只是在半周期結束時(shí)。即使未實(shí)現 ZCS，這也提供了的功率損耗。在諧振頻率下，SR 電流在半周期結束時(shí)達到零。在這個(gè)情況下，SR 關(guān)斷時(shí)序也是在半周期結束時(shí)，但可以實(shí)現 ZCS。在諧振頻率以下，SR 電流在半周期結束前達到零。

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

設置 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（相對于半周期的開(kāi)始或結束），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頻率調整 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 SR 電流水平調整 SR 關(guān)閉時(shí)序。這將需要額外的感測電路，但可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并降低計算要求。

瞬態(tài)調整

為了保持環(huán)路調整簡(jiǎn)單并避免使用復雜的數學(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(guān)的系數來(lái)考慮自由度的數量。例如，使用五個(gè) 2P2Z 穩壓器系數項（B0、B1、B2、A1 和 A2）可以通過(guò)將這些項重新映射到 P、I 和 D 系數增益來(lái)簡(jiǎn)化，每個(gè)增益都可以獨立調整。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整的同時(shí)觀(guān)察輸出瞬態(tài)的方法，而轉換器板上的內置有源負載可以提供周期性干擾（見(jiàn)圖 3）。

補償器塊具有兩個(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 (IIR) 濾波器結構。傳遞函數由下式給出：

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 有源負載測試，從滿(mǎn)載到空載的瞬態(tài)響應調整，具有各種調節系數

突發(fā)模式操作

當諧振轉換器輕載或空載時(shí)，會(huì )有大量初級電流流過(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(zhù)降低輕載效率。為了克服這個(gè)問(wèn)題，轉換器可以在突發(fā)模式下運行，以將轉換器的輸入消耗保持在水平；當負載低于某個(gè)值時(shí)，程序將進(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(cháng)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的值。此外，（A）（二）（C）

在此實(shí)現中，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，根據系統紋波限制調整開(kāi)/關(guān)周期。將圖 4a 與進(jìn)行比較時(shí)，可以顯著(zhù)減少導通時(shí)間以提高輕負載效率。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)現突發(fā)模式操作并調整占空比。

顯示了一個(gè)限制為 10% 的占空比。這允許系統獲得更平滑的瞬態(tài)，減少浪涌電流并降低組件上的應力。根據系統規格，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，混合方法還支持轉換器的軟啟動(dòng)。LLC 轉換器初往往會(huì )消耗巨大的電流，這可以通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率增加到高達三倍的值來(lái)控制。通過(guò)混合方法，可以在相對較低的開(kāi)關(guān)頻率下有效抑制浪涌電流。

結論

許多原始設備制造商正在轉向數字電源控制技術(shù)以提高系統性能和效率。先進(jìn)的拓撲結構，例如基于 LLC 諧振轉換器的拓撲結構，可為 OEM 和終用戶(hù)帶來(lái)許多好處，包括更低的系統成本、更好的響應能力、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)現更廣泛的操作范圍內限度地提高效率。Piccolo MCU 架構的高集成度還優(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功能來(lái)降低系統成本。OEM 將通過(guò)系統成本優(yōu)化獲得快速的投資回報。