【導(dǎo)讀】隨著新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數(shù)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(yīng)用中。傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)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。開發(fā)人員也僅限于經(jīng)典控制實現(xiàn)。此外，基于模擬的系統(tǒng)幾乎沒有靈活性來適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡單變化。
它使用基于靈活的 32 位低成本高性能微控制器的線路電平控制 (LLC) 諧振轉(zhuǎn)換器。探討了數(shù)字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實時死區(qū)調(diào)整、頻率控制以及用于維持不同安全操作區(qū)域的自適應(yīng)閾值。
隨著新型低成本、高性能微控制器 (MCU) 的面世，數(shù)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(yīng)用中。傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)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。開發(fā)人員也僅限于經(jīng)典控制實現(xiàn)。此外，基于模擬的系統(tǒng)幾乎沒有靈活性來適應(yīng)不同的環(huán)境操作條件，甚至無法適應(yīng)系統(tǒng)要求的簡單變化。
當使用數(shù)字方法進行設(shè)計時，部分電源系統(tǒng)可以用軟件實現(xiàn)，從而帶來一定程度的靈活性，使單一架構(gòu)能夠在一系列應(yīng)用和操作條件下提供性能。借助基于軟件的控制算法，開發(fā)人員可以：
? 通過配置確保和可預(yù)測的系統(tǒng)行為——無論是在工廠還是在通電時——以針對組件容差問題進行調(diào)整
? 通過使用算法（即非線性、多變量等）提高效率，這些算法在基于模擬的系統(tǒng)中實施是不可行的
? 通過動態(tài)重新校準在延長的系統(tǒng)生命周期內(nèi)保持性能
? 使用單個控制器支持多個系統(tǒng)
? 通過自診斷提高系統(tǒng)可靠性
? 通過通信鏈路實現(xiàn)智能管理
? 通過允許開發(fā)人員使用模型工具和 C 來簡化系統(tǒng)設(shè)計，而不必在每次需求更改時重新設(shè)計模擬設(shè)計
? 通過在同一 MCU 上支持其他系統(tǒng)功能來降低系統(tǒng)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（線路電平控制）諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源控制實現(xiàn)。將探討數(shù)字電源控制的關(guān)鍵要素；包括占空比控制、實時死區(qū)調(diào)整、頻率控制和自適應(yīng)閾值以保持不同的安全操作區(qū)域。
在有源負載期間使用系數(shù)調(diào)整電壓補償器將展示實施的靈活性，而可編程軟啟動/停止功能和轉(zhuǎn)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。，開發(fā)人員將了解混合突發(fā)模式控制如何顯著提高輕載和待機效率。
使用微控制器進行數(shù)字控制
考慮使用合適的 MCU 來提供使用單個獨立控制器控制系統(tǒng)所需的所有必要性能和外圍設(shè)備。具有充足裕量和專用外設(shè)的 MCU 將使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└冗M的控制算法，以進一步提高性能，同時降低系統(tǒng)成本。
很少有微控制器具有針對數(shù)字控制應(yīng)用優(yōu)化的架構(gòu)，具有先進的架構(gòu)功能以增強高速信號處理。主 CPU 內(nèi)核需要內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和 PWM 等集成控制外設(shè)設(shè)計得非常靈活，可以輕松適應(yīng)幾乎所有用途，而且軟件開銷非常小。例如，ADC 有一個可編程自動定序器，可以按特定順序循環(huán)采樣，以便在應(yīng)用程序需要時準備好值。擁有更智能的控制外設(shè)和強大的 CPU 內(nèi)核，控制環(huán)路運行更緊密，
微控制器需要提供實時數(shù)字控制所需的重要 PWM 功能，包括：
? 軟啟動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
? 實時死區(qū)可調(diào)性保證所有工作點的 ZVS 并優(yōu)化效率
? 觸發(fā)區(qū)和內(nèi)部比較器選項可實現(xiàn)瞬時 PWM 禁用，以確保系統(tǒng)的可靠性和安全性
? 低至 150 ps 的高分辨率頻率調(diào)節(jié)能力，可實現(xiàn)的輸出電壓調(diào)節(jié)
與模擬控制器不同，使用微控制器的系統(tǒng)可以通過使用 PID 和 2P2Z 等可編程電壓/電流調(diào)節(jié)器輕松定制以實現(xiàn)性能。開發(fā)人員可以通過為安全操作區(qū)域邊界設(shè)置特定閾值來防止災(zāi)難性故障，這些閾值與可編程軟啟動/停止功能相關(guān)。通過數(shù)字控制實現(xiàn)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(zhuǎn)換速率、用于多通道應(yīng)用的排序和可編程延遲時間，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(zhuǎn)換器
眾所周知的數(shù)字電源拓撲之一是諧振轉(zhuǎn)換器。在提供高效率和低噪聲的同時，常見的諧振拓撲有幾個明顯的局限性。例如，轉(zhuǎn)換器理論上無法在空載或輕載條件下進行調(diào)節(jié)，并且需要寬頻率變化才能在整個負載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出。在輕載條件下，小諧振電流會導(dǎo)致零電壓開關(guān) (ZVS) 損失。此外，再循環(huán)能量會降低高線路或輕負載效率。
LLC 諧振拓撲的簡單結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)諧振拓撲的缺點。LLC 諧振拓撲的優(yōu)點包括：
? 初級側(cè)開關(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(diào)節(jié)的情況下降低開關(guān)損耗，從空載到滿載 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
? 由于沒有次級濾波電感器，次級整流器上的低壓應(yīng)力（限制為兩倍輸出電壓）和零電流開關(guān) (ZCS) 操作。此外，次級二極管的 ZCS 消除了其反向恢復(fù)問題
諧振轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器旨在調(diào)節(jié)半橋的開關(guān)頻率以調(diào)節(jié)輸出。然而，通過使用低成本微控制器來調(diào)整頻率、占空比和死區(qū)，可以使整個系統(tǒng)的運行效率更高。圖 1 顯示了一個可變輸入、可變輸出 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) 和雙極二零 (2P2Z)——從而簡化了系統(tǒng)的定制。
微控制器內(nèi)的嵌入式比較器和跳閘區(qū)需要在短路、過載、過壓、掉電等情況下提供可編程保護。在控制軟件中，軟啟動/停止功能可避免浪涌電流并降低可聞噪聲。當系統(tǒng)遵循給定的參考電壓電平時，可編程軟瞬變選項會限制轉(zhuǎn)換率。通過混合占空比和頻率控制進行增益調(diào)整，可實現(xiàn)更平滑的啟動曲線，而不會導(dǎo)致過沖或高浪涌電流。通過以突發(fā)模式運行系統(tǒng)可提高輕負載效率，這涉及半橋脈寬調(diào)制器 (PWM) 的開/關(guān)控制。，微控制器上的附加外設(shè)應(yīng)允許用戶控制同步整流器。
圖 1a LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級框圖
圖 1b 數(shù)字控制系統(tǒng)
如圖所示，在次級側(cè)，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(cè)或次級側(cè)，具體取決于應(yīng)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。或者，可以在原型制作期間在外部實施漏感，以簡化設(shè)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(shè)計的靈活性，以解決特定的制造困難和設(shè)計權(quán)衡。一些常見的諧振回路設(shè)計權(quán)衡是系統(tǒng)效率、工作頻率、輸出精度、轉(zhuǎn)換比、傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗、系統(tǒng)頻率分辨率、/可實現(xiàn)頻率和可變輸入輸出要求。
軟件流程
圖 2 顯示了單級 LLC 轉(zhuǎn)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，以實現(xiàn)更大帶寬的控制環(huán)路。此代碼使用中斷服務(wù)例程 (ISR) 調(diào)用，中斷服務(wù)例程在調(diào)用時能夠中斷后臺任務(wù)。對于以可變開關(guān)頻率運行的 LLC 轉(zhuǎn)換器，可能會使用兩個異步運行的 ISR。一個 ISR 將用于處理控制回路算法并以固定頻率調(diào)用以避免違反采樣和控制理論。第二個 ISR 將用于處理 PWM 模塊更新并以 PWM 開關(guān)頻率（可變）調(diào)用，以允許同時更新并限度地減少控制環(huán)路計算和更新之間的延遲。
當沒有 ISR 處于活動狀態(tài)時，較慢的后臺循環(huán)將在剩余時間間隔內(nèi)執(zhí)行。這是執(zhí)行儀表、軟啟動、開/關(guān)延遲、保護機制、有源負載控制和通信等系統(tǒng)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現(xiàn)。任務(wù)按組排列（A1、A2、A3…、B1、B2、B3…、C1、C2、C3…）并根據(jù)三個 CPU 定時器執(zhí)行，這些定時器配置有用戶定義的周期 1 ms、5 ms 和分別為 7.5 毫秒。任務(wù)在每個組內(nèi)以“循環(huán)”方式執(zhí)行。例如，如果 B 組每 5 毫秒執(zhí)行并且有 3 個任務(wù)，則每個“B 任務(wù)”將每 15 毫秒執(zhí)行?！奥佟比蝿?wù)可以用 C 語言編寫，而時間要求更高的諧振轉(zhuǎn)換器控制算法則用匯編代碼編寫。
圖 2：LLC 諧振轉(zhuǎn)換器控制軟件流程圖
SR PWM 時序注意事項
同步整流器 (SR) 電流具有正半波正弦波形狀。理想的 SR 時序?qū)⑹?MOSFET 在非零正電流期間導(dǎo)通，并在所有其他時間關(guān)閉，這與二極管的導(dǎo)通方式相同。這意味著 SR 將在電流開始時以零電流開啟，并在電流結(jié)束時以零電流關(guān)閉，從而實現(xiàn)零電流開關(guān) (ZCS)。
可以根據(jù)初級側(cè)開關(guān)時序輕松獲得 SR 開啟時序。這是因為當初級側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時，SR 電流在半周期開始時開始流動。通過將 SR PWM 設(shè)置為在其對應(yīng)的初級側(cè)半橋 PWM 的同時或稍晚開啟，可以在 SR 開啟期間實現(xiàn) ZCS。SR 關(guān)斷時序更難獲得。這是因為 SR 關(guān)斷電流零交叉點隨頻率變化。在諧振頻率以上，SR 電流實際上在半周期結(jié)束之前永遠不會達到零。在這種情況下，SR 關(guān)閉時序只是在半周期結(jié)束時。即使未實現(xiàn) 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(jié)束時達到零。在這個情況下，SR 關(guān)斷時序也是在半周期結(jié)束時，但可以實現(xiàn) ZCS。在諧振頻率以下，SR 電流在半周期結(jié)束前達到零。
這導(dǎo)致三種可能的情況。首先，如果 SR 關(guān)斷發(fā)生得太晚，負電流會反向流過 SR MOSFET，這是不希望發(fā)生的，并可能導(dǎo)致組件損壞。其次，如果 SR 過早關(guān)閉，則無法實現(xiàn) ZCS 并會出現(xiàn)額外的功率損耗。第三，如果 SR 關(guān)斷發(fā)生在零交叉點，則實現(xiàn) ZCS。ZCS 的第三種情況是理想的情況。
設(shè)置 SR 關(guān)閉時序的方法有很多種。一種簡單的方法是選擇固定時序（相對于半周期的開始或結(jié)束），以確保 SR 在 ZCS 點或更早關(guān)閉所有頻率，從而提供 SR 的一些好處而不會損壞組件。第二種更的方法是根據(jù)頻率調(diào)整 SR 關(guān)閉時序。這將允許所有頻率的 ZCS，但是，除非 SR 關(guān)閉時序更新得足夠快，否則在頻率突然偏移后可能會發(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實驗來確定每個實施所需的 SR 關(guān)閉時序，這可能非常耗時或不切實際。第三種方法是直接根據(jù) SR 電流水平調(diào)整 SR 關(guān)閉時序。這將需要額外的感測電路，但可以簡化開發(fā)并降低計算要求。
瞬態(tài)調(diào)整
為了保持環(huán)路調(diào)整簡單并避免使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)或分析工具，必須通過將自由度重新映射到一組更直觀的系數(shù)來考慮自由度的數(shù)量。例如，使用五個 2P2Z 穩(wěn)壓器系數(shù)項（B0、B1、B2、A1 和 A2）可以通過將這些項重新映射到 P、I 和 D 系數(shù)增益來簡化，每個增益都可以獨立調(diào)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(diào)整的同時觀察輸出瞬態(tài)的方法，而轉(zhuǎn)換器板上的內(nèi)置有源負載可以提供周期性干擾（見圖 3）。
補償器塊具有兩個極點和兩個零點，并且基于通用的無限脈沖響應(yīng) (IIR) 濾波器結(jié)構(gòu)。傳遞函數(shù)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(shù)形式為：
將其與一般形式進行比較，我們可以看出 PID 只不過是 CNTL_2P2Z 控制的一個特例，其中 A1 = -1 且 A2 = 0。
圖 3 有源負載測試，從滿載到空載的瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)整，具有各種調(diào)節(jié)系數(shù)
突發(fā)模式操作
當諧振轉(zhuǎn)換器輕載或空載時，會有大量初級電流流過變壓器的磁化電感以維持軟開關(guān)，從而引入損耗并顯著降低輕載效率。為了克服這個問題，轉(zhuǎn)換器可以在突發(fā)模式下運行，以將轉(zhuǎn)換器的輸入消耗保持在水平；當負載低于某個值時，程序?qū)⑦M入突發(fā)模式。突發(fā)模式是一系列幾乎固定頻率的開關(guān)周期和一個由長空閑周期隔開的占空比，其中開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)或占空比設(shè)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）
在此實現(xiàn)中，突發(fā)模式開/關(guān)決策基于輸出紋波。由于紋波量在空載時并不重要，因此可以定義小于輸出電壓 5% 的帶寬來開啟和關(guān)閉突發(fā)模式。此外，還可以添加一個軟件子程序，根據(jù)系統(tǒng)紋波限制調(diào)整開/關(guān)周期。將圖 4a 與進行比較時，可以顯著減少導(dǎo)通時間以提高輕負載效率。微控制器靈活的控制能力將使開發(fā)人員能夠以混合方式實現(xiàn)突發(fā)模式操作并調(diào)整占空比。
顯示了一個限制為 10% 的占空比。這允許系統(tǒng)獲得更平滑的瞬態(tài)，減少浪涌電流并降低組件上的應(yīng)力。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格，開發(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(zhuǎn)換器的軟啟動。LLC 轉(zhuǎn)換器初往往會消耗巨大的電流，這可以通過將開關(guān)頻率增加到高達三倍的值來控制。通過混合方法，可以在相對較低的開關(guān)頻率下有效抑制浪涌電流。
結(jié)論
許多原始設(shè)備制造商正在轉(zhuǎn)向數(shù)字電源控制技術(shù)以提高系統(tǒng)性能和效率。先進的拓撲結(jié)構(gòu)，例如基于 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)，可為 OEM 和終用戶帶來許多好處，包括更低的系統(tǒng)成本、更好的響應(yīng)能力、更高的可靠性和的電源效率。通過使用具有集成硬件組件的可編程方法的靈活性，原始設(shè)備制造商可以快速輕松地定制操作，并在比基于模擬的實現(xiàn)更廣泛的操作范圍內(nèi)限度地提高效率。Piccolo MCU 架構(gòu)的高集成度還優(yōu)化了整體性能，同時通過在單個芯片上集成完整的系統(tǒng)功能來降低系統(tǒng)成本。OEM 將通過系統(tǒng)成本優(yōu)化獲得快速的投資回報。
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