使用LLC 谐振转换器实现最优的数字电源控制

本文作者向我们介绍了一款使用线路电平控制(LLC)谐振转换器的数字电源控制实施方案，该转换器基于一款灵活的 32 位低成本高性能微控制器。文章还探讨了数字电源控制的一些关键要素，包括占空比控制、死区实时调节、频率控制以及不同安全运行区维持自适应阈值。

新型低成本、高性能微控制器(MCU)的出现，让大量嵌入式工业控制应用也可以享受到数字电源控制所具有的诸多好处。传统模拟电源系统很容易受到一些因素的影响，例如：频率漂移、元件老化、温度引起的变化以及元件容限退化等等。另外，广大开发人员常常拘泥于一些经典的控制实施方案。除此以外，模拟型系统灵活度不高，难以适应不同环境的工作条件，甚至对系统要求有严格的规定。

当我们使用数字方法进行设计时，可以用软件方式来实现电源系统部分，从而实现一定程度的灵活性，让单个构架能够在各种应用之间和各种工作条件下都能提供最佳的性能。利用软件控制算法，开发人员可以：

* 通过配置(在工厂里和上电使用时)确保具有精确和可预见的系统表现，以解决组件容限问题

* 使用高级算法（例如：非线性、多变量等）提高效率，但在模拟型系统中并不可行

* 通过动态校准，实现长系统寿命下的稳定性能

* 利用单个控制器，支持多系统

* 通过自我诊断，提高系统可靠性

* 利用通信链路，实现智能管理

* 允许开发人员使用模型工具和C语言简化系统设计，无需在要求出现变化时重新进行模拟设计

* 支持在同一颗MCU上实现其他系统功能，降低系统成本

本文为我们介绍了一种使用线路电平控制(LLC)谐振转换器的数字电源控制实施方案，该转换器基于一款灵活的32位低成本高性能微控制器。文章探讨了数字电源控制的一些关键要素，包括占空比控制、死区实时调节、频率控制以及维持不同安全运行区的自适应阈值。

当存在有源负载时，可利用各种系数对电压补偿器进行微调，这显示了该实现方法的灵活性。可编程软启动/停止功能的使用以及转换速率控制，可以避免产生浪涌电流，并降低有效噪声。最后，开发人员还可以看到混合突发模式(Hybrid Burst Mode)控制可以极大地提高轻负载和待机效率。

使用微控制器实现数字控制

选择合适的MCU，以提供单个独立控制器系统控制所需的所有必要性能和外围器件。拥有足够余量和专用外围器件的MCU使开发人员能够实现更加高级的控制算法，从而在降低系统成本的同时进一步提高性能。

微控制器很少会有一个专为数字控制应用优化的构架，也很少会有用于增强高速信号处理的高级构架。主CPU内核需要内置许多DSP功能，例如单周期32x32位乘法累加(MAC)单元，以极大地提高计算处理速度。诸如模数转换器(ADC)和PWM等集成控制外围器件都具有非常高的灵活性，能够轻松地适应各种使用需求，而且软件开销极其的少。例如，ADC具有一个可编程自动排序器，其通过特定顺序的采样做周期性循环，这样在应用程序需要时便可准备好各项值。由于更加智能的控制外围器件和强大的CPU内核，控制环路可以更加紧凑，从而提高了控制算法的动态特性，并降低干扰。

微控制器需要提供实时数字控制所需的重要PWM特性包括：

* 软启动占空比控制，可避免浪涌电流，实现各种突发模式(Burst Mode)配置，以增强轻负载效率

* 实时死区调节，可保证所有工作点的ZVS，并优化效率

* 跳变区和内部比较器选项，可实现瞬间PWM 关闭，保证系统可靠性和安全性

* 高分辨率的频率调节功能，可提供低至150ps的输出电压精度

与模拟控制器不同，使用微控制器的系统可轻松实现自定义，通过使用如PID和2P2Z等可编程电压/电流调节器达到最佳性能。开发人员可以通过设置安全运行区边界阈值(受限于可编程软启动/停止功能)，防止出现灾难性的故障。利用数字控制实现的其他功能还包括浪涌电流避免、有效噪声抑制、使用可编程软瞬态选项实现的转换速率控制、多通道应用延时排序和编程以及待机和轻负载可编程突发模式功能。LLC 谐振转换器

一种有名的数字电源拓扑结构便是谐振转换器。尽管这种最为常见的谐振拓扑结构拥有高效率和低噪声，但也存在几个明显的局限性。例如，转换器理论上不能在空载或者轻载条件下进行调节，并且在全负载时需要较宽的频率变化才能对输出进行调节。在轻负载条件下，小谐振电流会产生零电压开关(ZVS)损耗。另外，能量再循环会降低高线压或者轻负载效率。

LLC谐振拓扑结构简单，克服了传统谐振拓扑存在的一些缺点。LLC谐振拓扑的优点包括：

* 相比理想变压器，这种变压器的磁化电感(Lm)相对较小，因此可以实现初级端开关的完全ZVS工作

* 由于开关损耗更低且输出电压调节效果不变，因此拥有空负载到全负载ZVS的高效率和高功率密度

* 由于使用了ZVS并在零漏电压条件下进行开关操作，因此电磁干扰(EMI)更低，滤波要求也更低

* 集成变压器，无需外部并串联电感。磁化和漏电感同时也为拓扑的组成部分

* 低电流条件下进行开关的关闭操作，关闭损耗更低

* 没有二次滤波电感，实现了二次整流器的低电压应力(受限于二次输出电压)和零电流开关(ZCS)操作

谐振转换器驱动器用于调节半桥开关频率，最终达到调节输出的目的。但是，通过使用一个低成本的微控制器来调节频率、占空比和死区，你可以获得更好的总系统工作效率。图1显示了可变输入、可变输出的LLC转换器系统。数字控制方法支持使用任何调节器—包括比例积分微分(PID)和双极点双零点(2P2Z)等——因此可以简化系统自定义。

微控制器内部的嵌入式比较器和跳变区将会在系统出现短路、过载、过电压、低电压等情况时提供可编程保护。在控制软件中，软启动/停止功能可以避免出现浪涌电流，并降低有效噪声。可编程软瞬态选项可限制转换速率，而系统则维持规定的基准电压水平。利用综合占空比和频率控制对增益进行调节，可以实现更平顺的启动过程，并且不会产生过冲或者强浪涌电流。让系统在突发模式下运行涉及半桥脉宽调制器(PWM)的开/关控制，但这样做可以提高轻负载效率。最后，微控制器上的其他附加外围器件应允许用户对同步整流器进行控制。

图1a: LLC谐振转换器系统级结构图。

图1b: 数字控制系统。

在次级端，组合使用不同的二极管电路或者同步整流方法，可以提高整体效率，如图所示。我们可以将该微控制器放置于初级端或者次级端，具体取决于应用要求。

变压器漏感和磁化电感也作为LLC拓扑的组成部分，目的是最小化成本和尺寸。另外，也可以在样机试制期间以外部方式实现漏感，以简化设计和故障排查。除此以外，可以选用外部电感，为优化谐振回路设计以解决具体制造难题和设计取舍提供了灵活性。一些常见的谐振回路设计取舍考虑包括系统效率、工作频率、输出精度、转换比率、传导损耗与开关损耗、系统频率精度、最大/最小可达频率以及不断变化的输入-输出要求等。

软件流程

图2显示了单级LLC转换器控制软流程，其被划分为两个部分：控制相关算法所用的高速、高优先代码和初始化及后台任务所用的低速、低优先代码。

一般而言，编写高速代码的目的是获得最大效率，实现更大带宽的控制环路。该代码常使用中断服务程序(ISR)来调用，当此时会中断后台任务。就LLC转换器而言，其开关频率可变，可能会使用两个异步运行的ISR。一个ISR用于处理控制环路算法，并以固定频率调用，目的是与采样要求和控制规定相符。第二个ISR用于处理PWM模块更新，并以PWM开关频率(变量)调用，目的是允许同步更新和最小化控制环路计算与更新之间的延迟。

当没有ISR处于活跃状态时在剩余时段执行较慢的后台循环。这也就是执行一些系统任务的时候，例如：设备检测、软启动、开/关延迟、保护机制、有源负载控制与通信等。我们建立一个任务状态机，其为后台代码的组成部分。分别使用1ms、5ms和7.5ms用户定义时段配置三个 CPU 计时器，根据这些计时器来分组（A1, A2, A3…, B1, B2, B3…, C1, C2, C3…）执行任务。在每组内，以“循环”方式执行任务。例如，如果每5ms执行一次B组，并且B组共有3项任务，则每个“B任务”会每15ms执行一次。我们可以使用C编写“慢”任务，因为使用汇编代码编写谐振转换器控制算法需要花费更多的时间。

图2: LLC谐振转换器控制软件流程图。SR PWM计时考虑因素

同步整流器(SR)电流具有正半波正弦形状。理想的SR计时在非零正电流期间MOSFET导通，并在其他时段截止，这种操作方式与二极管一样。这意味着，SR会在电流开始时的零电流下导通，并在电流结束时的零电流下关断，从而实现零电流开关(ZCS)。

根据初级端开关计时，可以轻松地实现SR开通计时。这是因为，当初级端开关开通时，SR电流在半周期之初开始流动。通过同时或者在其相应初级端半桥PWM之后不久设置SR PWM为开通状态，可在SR开通期间实现ZCS。SR关断计时要更难实现一点。这是因为，SR关断电流零交叉点随频率变化。在谐振频率以上，SR电流实际上永远不会在半周期结束以前达到零。在这种情况下，SR关断计时刚好在半周期末尾处。尽管没有实现 ZCS，但这种方法的功耗最小。谐振频率时，SR电流在半周期末尾处达到零。这种情况下，SR关断计时也在半周期末尾处，但却可以实现 ZCS。在谐振频率以下，SR电流在半周期结束以前便达到零。

这会产生三种可能情况。第一，如果SR关断过晚，则负电流通过SR MOSFET回流，这会导致元件损坏。第二，如果SR关断过早，则达不到ZCS，并且会产生额外功耗。第三，如果SR关闭发生在零交叉点，则可以达到ZCS。就达到ZCS而言，第三种为理想情况。

设置SR关断计时的方法有很多。一种简单的方法是选择一个固定计时(相对于半周期开始或者结束)，它可以确保所有频率下SR在ZCS点或者更早关闭，从而利用SR的优点，并且不损坏元件。第二种更加先进的方法是根据频率调节SR关断计时。这种方法可在所有频率下实现ZCS，但是频率突然改变后在谐振频率以下运行会出现上述前面两种情况之一，除非SR关闭计时更新的足够快。不管是这两种方法中的哪一种，都要求做实验来确定每种实现所要求的SR关断计时，而这是一项费时或者说不切实际的工作。第三种方法是直接根据SR电流电平调节SR关断计时。尽管这种方法要求使用更多的检测电路，但却可以简化开发过程，并降低计算要求。

瞬态调谐

要想保持环路调谐的简单并且不需要使用复杂的运算或者分析工具，必须通过将它们映射到一套更直观的系数来考虑自由度数目。例如，使用五个2P2Z调节器系数项(B0, B1, B2, A1, A2)时，通过将这些项映射到P、I和D系数增益(可对每个进行单独调节)可以实现简化。这种方法要求出现周期性瞬态或者干扰，然后边调节边观察输出瞬态，同时转换器电路板的内部有源负载可产生周期性干扰(参见图3)。

图3: 有源负载测试，使用各种调节器系数进行全负载到空负载瞬态响应调谐。

补偿器模块有两个极点和两个零点，并基于通用无限脉冲响应(IIR)滤波器结构。传递函数如下：

公式1

PID控制器的递归形式如下面差分方程式：

公式2

其中:

公式3

方程式的Z域传递函数形式为：

/i>

将其与通用式对比后，我们可以看出PID只不过是一种特殊的CNTL_2P2Z控制，其中A1 = -1并且A2 = 0。突发模式运行

谐振转换器为轻负载或者无负载时，会有大量主电流流过变压器磁化电感以保持软开关，这会带来损耗，并极大降低轻负载效率。要想克服这个问题，可让转换器运行在突发模式下，以保持最小的转换器输入损耗；当负载降至某个值以下时，程序便进入突发模式。突发模式是一系列的开关周期，频率靠近固定频率，而占空比由一些较长的空载时段间隔。在这些时段内，开关处于关断状态，或者占空比设置情况如图4所示。利用这种方法，谐振回路电流平均值可降低至几乎可以忽略不计。另外，平均开关频率相当的低，从而降低开关损耗。

图4: 各种突发模式实施。

在这种实现中，突发模式开/关判定均基于输出纹波。由于空载条件下的纹波量并不严重，我们可以定义低于5%输出电压的带宽，来开启和关闭突发模式。另外，还可以增加软件子程序来根据系统纹波限制情况对开/关时段进行调节。对比图4a和图4b，“开”时间极大缩短，目的是提高轻负载效率。微控制器的灵活控制功能，让广大开发人员能够使用一种混合方法来实现突发模式运行，并能对占空比进行调节。

图4c显示了一个限定在10% 在的占空比。它允许系统获得更加平顺的瞬态，降低浪涌电流，并减小各个器件承受的应力。根据不同的系统规范，开发人员可在众多备选方法中选择出一种最佳的组合，旨在获得最高的轻负载或者空负载效率。

除突发模式外，混合方法还可以实现转换器的软启动。LLC转换器一开始往往会吸取大量电流，而这些电流可以通过增加开关频率（最大可高出三倍）来控制。利用混合方法，可以在相对较低的开关频率下有效地抑制浪涌电流。

本文结论

许多OEM厂商都正转向使用数字电源控制技术，旨在提高系统性能和效率。一些先进的拓扑结构，例如：基于LLC谐振转换器的拓扑结构，让广大原始设备制造商和终端用户同时受益，其优点包括低系统成本、高响应度、高可靠性和最优电源效率。利用集成硬件组件可编程方法带来的灵活性，原始设备制造商可以快速且轻松地自定义运行状态，最大化运行效率，并且高效运行，范围比模拟实现更宽。高集成度的Piccolo MCU构架，通过在单片上集成完成的系统功能降低了系统成本，同时还优化了系统的总体性能。通过系统成本优化、长期软件和工具兼容以及在所有电源控制应用之间运用大规模投资组合，原始设备制造商可以快速地获得投资回报。