本文作者向咱们介绍了一款运用线路电平操控(LLC)谐振转化器的数字电源操控施行方案，该转化器依据一款灵敏的 32 位低本钱高功用微操控器。文章还探讨了数字电源操控的一些要害要素，包含占空比操控、死区实时调理、频率操控以及不同安全运转区坚持自习惯阈值。
新式低本钱、高功用微操控器(MCU)的呈现，让许多嵌入式工业操控运用也能够享遭到数字电源操控所具有的许多长处。传统模仿电源体系很简略遭到一些要素的影响，例如：频率漂移、元件老化、温度引起的改动以及元件容限退化等等。别的，广阔开发人员常常拘泥于一些经典的操控施行方案。除此以外，模仿型体系灵敏度不高，难以习惯不同环境的作业条件，乃至对体系要求有严厉的规则。
当咱们运用数字办法进行规划时，能够用软件办法来完结电源体系部分，然后完结必定程度的灵敏性，让单个构架能够在各种运用之间和各种作业条件下都能供给最佳的功用。运用软件操控算法，开发人员能够：
* 经过装备(在工厂里和上电运用时)保证具有准确和可预见的体系体现，以处理组件容限问题
* 运用高档算法（例如：非线性、多变量等）进步功率，但在模仿型体系中并不可行
* 经过动态校准，完结长体系寿数下的安稳功用
* 运用单个操控器，支撑多体系
* 经过自我确诊，进步体系可靠性
* 运用通讯链路，完结智能办理
* 答应开发人员运用模型东西和C言语简化体系规划，无需在要求呈现改动时从头进行模仿规划
* 支撑在同一颗MCU上完结其他体系功用，下降体系本钱
本文为咱们介绍了一种运用线路电平操控(LLC)谐振转化器的数字电源操控施行方案，该转化器依据一款灵敏的32位低本钱高功用微操控器。文章探讨了数字电源操控的一些要害要素，包含占空比操控、死区实时调理、频率操控以及坚持不同安全运转区的自习惯阈值。
当存在有源负载时，可运用各种系数对电压补偿器进行微调，这显现了该完结办法的灵敏性。可编程软发动/中止功用的运用以及转化速率操控，能够防止发生浪涌电流，并下降有用噪声。终究，开发人员还能够看到混合突发方式(Hybrid Burst Mode)操控能够极大地进步轻负载和待机功率。
运用微操控器完结数字操控
挑选适宜的MCU，以供给单个独立操控器体系操控所需的一切必要功用和外围器材。具有满足余量和专用外围器材的MCU使开发人员能够完结愈加高档的操控算法，然后在下降体系本钱的一起进一步进步功用。
微操控器很少会有一个专为数字操控运用优化的构架，也很少会有用于增强高速信号处理的高档构架。主CPU内核需求内置许多DSP功用，例如单周期32×32位乘法累加(MAC)单元，以极大地进步核算处理速度。比如模数转化器(ADC)和PWM等集成操控外围器材都具有十分高的灵敏性，能够轻松地习惯各种运用需求，而且软件开支极端的少。例如，ADC具有一个可编程主动排序器，其经过特定次序的采样做周期性循环，这样在运用程序需求时便可准备好各项值。因为愈加智能的操控外围器材和强壮的CPU内核，操控环路能够愈加紧凑，然后进步了操控算法的动态特性，并下降搅扰。
微操控器需求供给实时数字操控所需的重要PWM特性包含：
* 软发动占空比操控，可防止浪涌电流，完结各种突发方式(Burst Mode)装备，以增强轻负载功率
* 实时死区调理，可保证一切作业点的ZVS，并优化功率
* 跳变区和内部比较器选项，可完结瞬间PWM 封闭，保证体系可靠性和安全性
* 高分辨率的频率调理功用，可供给低至150ps的输出电压精度
与模仿操控器不同，运用微操控器的体系可轻松完结自界说，经过运用如PID和2P2Z等可编程电压/电流调理器到达最佳功用。开发人员能够经过设置安全运转区鸿沟阈值(受限于可编程软发动/中止功用)，防止呈现灾难性的毛病。运用数字操控完结的其他功用还包含浪涌电流防止、有用噪声按捺、运用可编程软瞬态选项完结的转化速率操控、多通道运用延时排序和编程以及待机和轻负载可编程突发方式功用。LLC 谐振转化器
一种有名的数字电源拓扑结构便是谐振转化器。虽然这种最为常见的谐振拓扑结构具有高功率和低噪声，但也存在几个显着的局限性。例如，转化器理论上不能在空载或许轻载条件下进行调理，而且在全负载时需求较宽的频率改动才能对输出进行调理。在轻负载条件下，小谐振电流会发生零电压开关(ZVS)损耗。别的，能量再循环会下降高线压或许轻负载功率。
LLC谐振拓扑结构简略，战胜了传统谐振拓扑存在的一些缺陷。LLC谐振拓扑的长处包含：
* 比较抱负变压器，这种变压器的磁化电感(Lm)相对较小，因而能够完结初级端开关的彻底ZVS作业
* 因为开关损耗更低且输出电压调理作用不变，因而具有空负载到全负载ZVS的高功率和高功率密度
* 因为运用了ZVS并在零漏电压条件下进行开关操作，因而电磁搅扰(EMI)更低，滤波要求也更低
* 集成变压器，无需外部并串联电感。磁化和漏电感一起也为拓扑的组成部分
* 低电流条件下进行开关的封闭操作，封闭损耗更低
* 没有二次滤波电感，完结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
谐振转化器驱动器用于调理半桥开关频率，终究到达调理输出的意图。可是，经过运用一个低本钱的微操控器来调理频率、占空比和死区，你能够取得更好的整体系作业功率。图1显现了可变输入、可变输出的LLC转化器体系。数字操控办法支撑运用任何调理器—包含份额积分微分(PID)和双极点双零点(2P2Z)等——因而能够简化体系自界说。
微操控器内部的嵌入式比较器和跳变区将会在体系呈现短路、过载、过电压、低电压等状况时供给可编程维护。在操控软件中，软发动/中止功用能够防止呈现浪涌电流，并下降有用噪声。可编程软瞬态选项可约束转化速率，而体系则坚持规则的基准电压水平。运用归纳占空比和频率操控对增益进行调理，能够完结更平顺的发动进程，而且不会发生过冲或许强浪涌电流。让体系在突发方式下运转触及半桥脉宽调制器(PWM)的开/关操控，但这样做能够进步轻负载功率。终究，微操控器上的其他附加外围器材应答运用户对同步整流器进行操控。
图1a: LLC谐振转化器体系级结构图。
图1b: 数字操控体系。
在次级端，组合运用不同的二极管电路或许同步整流办法，能够进步全体功率，如图所示。咱们能够将该微操控器放置于初级端或许次级端，详细取决于运用要求。
变压器漏感和磁化电感也作为LLC拓扑的组成部分，意图是最小化本钱和尺度。别的，也能够在样机试制期间以外部办法完结漏感，以简化规划和毛病排查。除此以外，能够选用外部电感，为优化谐振回路规划以处理详细制作难题和规划取舍供给了灵敏性。一些常见的谐振回路规划取舍考虑包含体系功率、作业频率、输出精度、转化比率、传导损耗与开关损耗、体系频率精度、最大/最小可达频率以及不断改动的输入-输出要求等。
软件流程
图2显现了单级LLC转化器操控软流程，其被划分为两个部分：操控相关算法所用的高速、高优先代码和初始化及后台使命所用的低速、低优先代码。
一般来说，编写高速代码的意图是取得最大功率，完结更大带宽的操控环路。该代码常运用中止服务程序(ISR)来调用，当此时会中止后台使命。就LLC转化器而言，其开关频率可变，或许会运用两个异步运转的ISR。一个ISR用于处理操控环路算法，并以固定频率调用，意图是与采样要求和操控规则相符。第二个ISR用于处理PWM模块更新，并以PWM开关频率(变量)调用，意图是答应同步更新和最小化操控环路核算与更新之间的推迟。
当没有ISR处于活泼状况时在剩下时段履行较慢的后台循环。这也便是履行一些体系使命的时分，例如：设备检测、软发动、开/关推迟、维护机制、有源负载操控与通讯等。咱们树立一个使命状况机，其为后台代码的组成部分。别离运用1ms、5ms和7.5ms用户界说时段装备三个 CPU 计时器，依据这些计时器来分组（A1, A2, A3…, B1, B2, B3…, C1, C2, C3…）履行使命。在每组内，以“循环”办法履行使命。例如，假如每5ms履行一次B组，而且B组共有3项使命，则每个“B使命”会每15ms履行一次。咱们能够运用C编写“慢”使命，因为运用汇编代码编写谐振转化器操控算法需求花费更多的时刻。
图2: LLC谐振转化器操控软件流程图。SR PWM计时考虑要素
同步整流器(SR)电流具有正半波正弦形状。抱负的SR计时在非零正电流期间MOSFET导通，并在其他时段截止，这种操作办法与二极管相同。这意味着，SR会在电流开端时的零电流下导通，并在电流完毕时的零电流下关断，然后完结零电流开关(ZCS)。
依据初级端开关计时，能够轻松地完结SR注册计时。这是因为，当初级端开关注册时，SR电流在半周期之初开端活动。经过一起或许在其相应初级端半桥PWM之后不久设置SR PWM为注册状况，可在SR注册期间完结ZCS。SR关断计时要更难完结一点。这是因为，SR关断电流零交叉点随频率改动。在谐振频率以上，SR电流实际上永久不会在半周期完毕曾经到达零。在这种状况下，SR关断计时刚好在半周期结尾处。虽然没有完结 ZCS，但这种办法的功耗最小。谐振频率时，SR电流在半周期结尾处到达零。这种状况下，SR关断计时也在半周期结尾处，但却能够完结 ZCS。在谐振频率以下，SR电流在半周期完毕曾经便到达零。
这会发生三种或许状况。榜首，假如SR关断过晚，则负电流经过SR MOSFET回流，这会导致元件损坏。第二，假如SR关断过早，则达不到ZCS，而且会发生额定功耗。第三，假如SR封闭发生在零交叉点，则能够到达ZCS。就到达ZCS而言，第三种为抱负状况。
设置SR关断计时的办法有许多。一种简略的办法是挑选一个固定计时(相对于半周期开端或许完毕)，它能够保证一切频率下SR在ZCS点或许更早封闭，然后运用SR的长处，而且不损坏元件。第二种愈加先进的办法是依据频率调理SR关断计时。这种办法可在一切频率下完结ZCS，可是频率忽然改动后在谐振频率以下运转会呈现上述前面两种状况之一，除非SR封闭计时更新的满足快。不管是这两种办法中的哪一种，都要求做试验来确认每种完结所要求的SR关断计时，而这是一项费时或许说不切实际的作业。第三种办法是直接依据SR电流电平调理SR关断计时。虽然这种办法要求运用更多的检测电路，但却能够简化开发进程，并下降核算要求。
瞬态调谐
要想坚持环路调谐的简略而且不需求运用杂乱的运算或许剖析东西，有必要经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，运用五个2P2Z调理器系数项(B0, B1, B2, A1, A2)时，经过将这些项映射到P、I和D系数增益(可对每个进行独自调理)能够完结简化。这种办法要求呈现周期性瞬态或许搅扰，然后边调理边调查输出瞬态，一起转化器电路板的内部有源负载可发生周期性搅扰(参见图3)。
图3: 有源负载测验，运用各种调理器系数进行全负载到空负载瞬态呼应调谐。
补偿器模块有两个极点和两个零点，并依据通用无限脉冲呼应(IIR)滤波器结构。传递函数如下：
公式1
PID操控器的递归方式如下面差分方程式：
公式2
其间:
公式3
方程式的Z域传递函数方式为：
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将其与通用式比照后，咱们能够看出PID只不过是一种特别的CNTL_2P2Z操控，其间A1 = -1而且A2 = 0。突发方式运转
谐振转化器为轻负载或许无负载时，会有许多主电流流过变压器磁化电感以坚持软开关，这会带来损耗，并极大下降轻负载功率。要想战胜这个问题，可让转化器运转在突发方式下，以坚持最小的转化器输入损耗；当负载降至某个值以下时，程序便进入突发方式。突发方式是一系列的开关周期，频率接近固定频率，而占空比由一些较长的空载时段距离。在这些时段内，开关处于关断状况，或许占空比设置状况如图4所示。运用这种办法，谐振回路电流均匀值可下降至简直能够忽略不计。别的，均匀开关频率适当的低，然后下降开关损耗。
图4: 各种突发方式施行。
在这种完结中，突发方式开/关断定均依据输出纹波。因为空载条件下的纹波量并不严峻，咱们能够界说低于5%输出电压的带宽，来敞开和封闭突发方式。别的，还能够添加软件子程序来依据体系纹波约束状况对开/关时段进行调理。比照图4a和图4b，“开”时刻极大缩短，意图是进步轻负载功率。微操控器的灵敏操控功用，让广阔开发人员能够运用一种混合办法来完结突发方式运转，并能对占空比进行调理。
图4c显现了一个限定在10% 在的占空比。它答应体系取得愈加平顺的瞬态，下降浪涌电流，并减小各个器材接受的应力。依据不同的体系标准，开发人员可在很多备选办法中挑选出一种最佳的组合，旨在取得最高的轻负载或许空负载功率。
除突发方式外，混合办法还能够完结转化器的软发动。LLC转化器一开端往往会汲取许多电流，而这些电流能够经过添加开关频率（最大可高出三倍）来操控。运用混合办法，能够在相对较低的开关频率下有用地按捺浪涌电流。
本文定论
许多OEM厂商都正转向运用数字电源操控技能，旨在进步体系功用和功率。一些先进的拓扑结构，例如：依据LLC谐振转化器的拓扑结构，让广阔原始设备制作商和终端用户一起获益，其长处包含低体系本钱、高呼应度、高可靠性和最优电源功率。运用集成硬件组件可编程办法带来的灵敏性，原始设备制作商能够快速且轻松地自界说运转状况，最大化运转功率，而且高效运转，规模比模仿完结更宽。高集成度的Piccolo MCU构架，经过在单片上集成完结的体系功用下降了体系本钱，一起还优化了体系的整体功用。经过体系本钱优化、长时间软件和东西兼容以及在一切电源操控运用之间运用大规模出资组合，原始设备制作商能够快速地取得出资报答。
