使用 LLC 谐振转换器的数字电源控制
【导读】随着新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，数字电源控制的优势可以被引入到范围广泛的嵌入式、工业和控制应用中。传统的模拟系统容易受到漂移、元件老化、温度变化和元件容差退化等因素的影响。开发人员也仅限于经典控制实现。此外，基于模拟的系统几乎没有灵活性来适应不同的环境操作条件，甚至无法适应系统要求的简单变化。
它使用基于灵活的 32 位低成本高性能微控制器的线路电平控制 (LLC) 谐振转换器。探讨了数字电源控制的关键要素；包括占空比控制、实时死区调整、频率控制以及用于维持不同安全操作区域的自适应阈值。
随着新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，数字电源控制的优势可以被引入到范围广泛的嵌入式、工业和控制应用中。传统的模拟系统容易受到漂移、元件老化、温度变化和元件容差退化等因素的影响。开发人员也仅限于经典控制实现。此外，基于模拟的系统几乎没有灵活性来适应不同的环境操作条件，甚至无法适应系统要求的简单变化。
当使用数字方法进行设计时，部分电源系统可以用软件实现，从而带来一定程度的灵活性，使单一架构能够在一系列应用和操作条件下提供性能。借助基于软件的控制算法，开发人员可以：
通过配置确保和可预测的系统行为——无论是在工厂还是在通电时——以针对组件容差问题进行调整
通过使用算法（即非线性、多变量等）提高效率，这些算法在基于模拟的系统中实施是不可行的
通过动态重新校准在延长的系统生命周期内保持性能
使用单个控制器支持多个系统
通过自诊断提高系统可靠性
通过通信链路实现智能管理
通过允许开发人员使用模型工具和 C 来简化系统设计，而不必在每次需求更改时重新设计模拟设计
通过在同一 MCU 上支持其他系统功能来降低系统成本
本文介绍了使用基于灵活的 32 位、低成本、高性能微控制器的 LLC（线路电平控制）谐振转换器的数字电源控制实现。将探讨数字电源控制的关键要素；包括占空比控制、实时死区调整、频率控制和自适应阈值以保持不同的安全操作区域。
在有源负载期间使用系数调整电压补偿器将展示实施的灵活性，而可编程软启动/停止功能和转换率控制的使用将展示如何避免浪涌电流和降低可闻噪声。，开发人员将了解混合突发模式控制如何显着提高轻载和待机效率。
使用微控制器进行数字控制
考虑使用合适的 MCU 来提供使用单个独立控制器控制系统所需的所有必要性能和外围设备。具有充足裕量和专用外设的 MCU 将使开发人员能够实施更先进的控制算法，以进一步提高性能，同时降低系统成本。
很少有微控制器具有针对数字控制应用优化的架构，具有先进的架构功能以增强高速信号处理。主 CPU 内核需要内置 DSP 功能，例如单周期 32 x 32 位乘法和累加 (MAC) 单元，以大大加快计算处理速度。模数转换器 (ADC) 和 PWM 等集成控制外设设计得非常灵活，可以轻松适应几乎所有用途，而且软件开销非常小。例如，ADC 有一个可编程自动定序器，可以按特定顺序循环采样，以便在应用程序需要时准备好值。拥有更智能的控制外设和强大的 CPU 内核，控制环路运行更紧密，
微控制器需要提供实时数字控制所需的重要 PWM 功能，包括：
? 软启动的占空比控制可避免浪涌电流并启用各种突发模式配置以提高轻负载效率
? 实时死区可调性保证所有工作点的 ZVS 并优化效率
? 触发区和内部比较器选项可实现瞬时 PWM 禁用，以确保系统的可靠性和安全性
? 低至 150 ps 的高分辨率频率调节能力，可实现的输出电压调节
与模拟控制器不同，使用微控制器的系统可以通过使用 PID 和 2P2Z 等可编程电压/电流调节器轻松定制以实现性能。开发人员可以通过为安全操作区域边界设置特定阈值来防止灾难性故障，这些阈值与可编程软启动/停止功能相关。通过数字控制实现的其他功能包括避免浪涌电流、降低可闻噪声、使用可编程软瞬态选项限制转换速率、用于多通道应用的排序和可编程延迟时间，以及用于待机和轻型的可编程突发模式功能负载。
LLC 谐振转换器
众所周知的数字电源拓扑之一是谐振转换器。在提供高效率和低噪声的同时，常见的谐振拓扑有几个明显的局限性。例如，转换器理论上无法在空载或轻载条件下进行调节，并且需要宽频率变化才能在整个负载范围内调节输出。在轻载条件下，小谐振电流会导致零电压开关(ZVS) 损失。此外，再循环能量会降低高线路或轻负载效率。
LLC 谐振拓扑的简单结构克服了传统谐振拓扑的缺点。LLC 谐振拓扑的优点包括：
? 初级侧开关的完全 ZVS 操作是可能的，因为与理想变压器相比，变压器的磁化电感 (Lm) 相对较小
? 由于在不降低输出电压调节的情况下降低开关损耗，从空载到满载 ZVS 的高效率和高功率密度
? 由于 ZVS，低电磁干扰 (EMI) 和降低的滤波要求，并且开关发生在零漏极电压的条件下
? 由于集成了变压器，因此无需外部并联串联电感器。磁化电感和漏电感也作为拓扑的一部分
? 由于开关在低电流条件下关闭，因此降低了关断损耗
? 由于没有次级滤波电感器，次级整流器上的低压应力（限制为两倍输出电压）和零电流开关 (ZCS) 操作。此外，次级二极管的 ZCS 消除了其反向恢复问题
谐振转换器驱动器旨在调节半桥的开关频率以调节输出。然而，通过使用低成本微控制器来调整频率、占空比和死区，可以使整个系统的运行效率更高。图 1 显示了一个可变输入、可变输出 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) 和双极二零 (2P2Z)——从而简化了系统的定制。
微控制器内的嵌入式比较器和跳闸区需要在短路、过载、过压、掉电等情况下提供可编程保护。在控制软件中，软启动/停止功能可避免浪涌电流并降低可闻噪声。当系统遵循给定的参考电压电平时，可编程软瞬变选项会限制转换率。通过混合占空比和频率控制进行增益调整，可实现更平滑的启动曲线，而不会导致过冲或高浪涌电流。通过以突发模式运行系统可提高轻负载效率，这涉及半桥脉宽调制器 (PWM) 的开/关控制。，微控制器上的附加外设应允许用户控制同步整流器。
图 1a LLC 谐振转换器的系统级框图
图 1b 数字控制系统
如图所示，在次级侧，二极管电路或同步整流方法的各种组合提高了整体效率。微控制器可以位于初级侧或次级侧，具体取决于应用要求。
变压器漏电和磁化电感用作 LLC 拓扑的一部分，以限度地降低成本和尺寸。或者，可以在原型制作期间在外部实施漏感，以简化设计和故障排除。此外，使用外部电感器的能力提供了优化谐振回路设计的灵活性，以解决特定的制造困难和设计权衡。一些常见的谐振回路设计权衡是系统效率、工作频率、输出精度、转换比、传导损耗与开关损耗、系统频率分辨率、/可实现频率和可变输入输出要求。
软件流程
图 2 显示了单级 LLC 转换器控制软件流程，分为两部分：用于控制相关算法的高速、高优先级代码和用于初始化和后台任务的低速、低优先级代码。
高速代码通常以效率编写，以实现更大带宽的控制环路。此代码使用中断服务例程 (ISR) 调用，中断服务例程在调用时能够中断后台任务。对于以可变开关频率运行的 LLC 转换器，可能会使用两个异步运行的 ISR。一个 ISR 将用于处理控制回路算法并以固定频率调用以避免违反采样和控制理论。第二个 ISR 将用于处理 PWM 模块更新并以 PWM 开关频率（可变）调用，以允许同时更新并限度地减少控制环路计算和更新之间的延迟。
当没有 ISR 处于活动状态时，较慢的后台循环将在剩余时间间隔内执行。这是执行仪表、软启动、开/关延迟、保护机制、有源负载控制和通信等系统任务的地方。任务状态机已作为后台代码的一部分实现。任务按组排列（A1、A2、A3…、B1、B2、B3…、C1、C2、C3…）并根据三个 CPU 定时器执行，这些定时器配置有用户定义的周期 1 ms、5 ms 和分别为 7.5 毫秒。任务在每个组内以“循环”方式执行。例如，如果 B 组每 5 毫秒执行并且有 3 个任务，则每个“B 任务”将每 15 毫秒执行。“慢速”任务可以用 C 语言编写，而时间要求更高的谐振转换器控制算法则用汇编代码编写。
图 2：LLC 谐振转换器控制软件流程图
SR PWM 时序注意事项
同步整流器 (SR) 电流具有正半波正弦波形状。理想的 SR 时序将使 MOSFET 在非零正电流期间导通，并在所有其他时间关闭，这与二极管的导通方式相同。这意味着 SR 将在电流开始时以零电流开启，并在电流结束时以零电流关闭，从而实现零电流开关 (ZCS)。
可以根据初级侧开关时序轻松获得 SR 开启时序。这是因为当初级侧开关导通时，SR 电流在半周期开始时开始流动。通过将 SR PWM 设置为在其对应的初级侧半桥 PWM 的同时或稍晚开启，可以在 SR 开启期间实现 ZCS。SR 关断时序更难获得。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 电流实际上在半周期结束之前永远不会达到零。在这种情况下，SR 关闭时序只是在半周期结束时。即使未实现 ZCS，这也提供了的功率损耗。在谐振频率下，SR 电流在半周期结束时达到零。在这个情况下，SR 关断时序也是在半周期结束时，但可以实现 ZCS。在谐振频率以下，SR 电流在半周期结束前达到零。
这导致三种可能的情况。首先，如果 SR 关断发生得太晚，负电流会反向流过 SR MOSFET，这是不希望发生的，并可能导致组件损坏。其次，如果 SR 过早关闭，则无法实现 ZCS 并会出现额外的功率损耗。第三，如果 SR 关断发生在零交叉点，则实现 ZCS。ZCS 的第三种情况是理想的情况。
设置 SR 关闭时序的方法有很多种。一种简单的方法是选择固定时序（相对于半周期的开始或结束），以确保 SR 在 ZCS 点或更早关闭所有频率，从而提供 SR 的一些好处而不会损坏组件。第二种更的方法是根据频率调整 SR 关闭时序。这将允许所有频率的 ZCS，但是，除非 SR 关闭时序更新得足够快，否则在频率突然偏移后可能会发生前两种低于谐振频率的操作情况。这两种方法还需要通过实验来确定每个实施所需的 SR 关闭时序，这可能非常耗时或不切实际。第三种方法是直接根据 SR 电流水平调整 SR 关闭时序。这将需要额外的感测电路，但可以简化开发并降低计算要求。
瞬态调整
为了保持环路调整简单并避免使用复杂的数学或分析工具，必须通过将自由度重新映射到一组更直观的系数来考虑自由度的数量。例如，使用五个 2P2Z 稳压器系数项（B0、B1、B2、A1 和 A2）可以通过将这些项重新映射到 P、I 和 D 系数增益来简化，每个增益都可以独立调整。这种方法需要存在周期性瞬态或干扰，并需要一种在交互调整的同时观察输出瞬态的方法，而转换器板上的内置有源负载可以提供周期性干扰（见图 3）。
补偿器块具有两个极点和两个零点，并且基于通用的无限脉冲响应 (IIR)滤波器结构。传递函数由下式给出：
PID 控制器的递归形式由差分方程给出：
在哪里：
其 z 域传递函数形式为：
将其与一般形式进行比较，我们可以看出 PID 只不过是 CNTL_2P2Z 控制的一个特例，其中 A1 = -1 且 A2 = 0。
图 3 有源负载测试，从满载到空载的瞬态响应调整，具有各种调节系数
突发模式操作
当谐振转换器轻载或空载时，会有大量初级电流流过变压器的磁化电感以维持软开关，从而引入损耗并显着降低轻载效率。为了克服这个问题，转换器可以在突发模式下运行，以将转换器的输入消耗保持在水平；当负载低于某个值时，程序将进入突发模式。突发模式是一系列几乎固定频率的开关周期和一个由长空闲周期隔开的占空比，其中开关处于关断状态或占空比设置为零，如图 4 所示。这样，平均谐振回路电流的值可以降低到几乎可以忽略不计的值。此外，（A）（二）（C）
在此实现中，突发模式开/关决策基于输出纹波。由于纹波量在空载时并不重要，因此可以定义小于输出电压 5% 的带宽来开启和关闭突发模式。此外，还可以添加一个软件子程序，根据系统纹波限制调整开/关周期。将图 4a 与进行比较时，可以显着减少导通时间以提高轻负载效率。微控制器灵活的控制能力将使开发人员能够以混合方式实现突发模式操作并调整占空比。
显示了一个限制为 10% 的占空比。这允许系统获得更平滑的瞬态，减少浪涌电流并降低组件上的应力。根据系统规格，开发人员可以选择所有这些备选方案的组合，以获得的轻载或空载效率。
除了突发模式之外，混合方法还支持转换器的软启动。LLC 转换器初往往会消耗巨大的电流，这可以通过将开关频率增加到高达三倍的值来控制。通过混合方法，可以在相对较低的开关频率下有效抑制浪涌电流。
结论
许多原始设备制造商正在转向数字电源控制技术以提高系统性能和效率。先进的拓扑结构，例如基于 LLC 谐振转换器的拓扑结构，可为 OEM 和终用户带来许多好处，包括更低的系统成本、更好的响应能力、更高的可靠性和的电源效率。通过使用具有集成硬件组件的可编程方法的灵活性，原始设备制造商可以快速轻松地定制操作，并在比基于模拟的实现更广泛的操作范围内限度地提高效率。Piccolo MCU 架构的高集成度还优化了整体性能，同时通过在单个芯片上集成完整的系统功能来降低系统成本。OEM 将通过系统成本优化获得快速的投资回报。
