基于32位低成本高性能微控制器的數(shù)字電源控制實施方案

本文作者向我們介紹了一款使用線路電平控制（LLC）諧振轉換器的數(shù)字電源控制實施方案，該轉換器基于一款靈活的32位低成本高性能微控制器。文章還探討了數(shù)字電源控制的一些關鍵要素，包括占空比控制、死區(qū)實時調(diào)節(jié)、頻率控制以及不同安全運行區(qū)維持自適應閾值。

新型低成本、高性能微控制器（MCU）的出現(xiàn)，讓大量嵌入式工業(yè)控制應用也可以享受到數(shù)字電源控制所具有的諸多好處。傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)很容易受到一些因素的影響，例如：頻率漂移、元件老化、溫度引起的變化以及元件容限退化等等。另外，廣大開發(fā)人員常常拘泥于一些經(jīng)典的控制實施方案。除此以外，模擬型系統(tǒng)靈活度不高，難以適應不同環(huán)境的工作條件，甚至對系統(tǒng)要求有嚴格的規(guī)定。

當我們使用數(shù)字方法進行設計時，可以用軟件方式來實現(xiàn)電源系統(tǒng)部分，從而實現(xiàn)一定程度的靈活性，讓單個構架能夠在各種應用之間和各種工作條件下都能提供最佳的性能。利用軟件控制算法，開發(fā)人員可以：

* 通過配置（在工廠里和上電使用時）確保具有精確和可預見的系統(tǒng)表現(xiàn)，以解決組件容限問題

* 使用高級算法（例如：非線性、多變量等）提高效率，但在模擬型系統(tǒng)中并不可行

* 通過動態(tài)校準，實現(xiàn)長系統(tǒng)壽命下的穩(wěn)定性能

* 利用單個控制器，支持多系統(tǒng)

* 通過自我診斷，提高系統(tǒng)可靠性

* 利用通信鏈路，實現(xiàn)智能管理

* 允許開發(fā)人員使用模型工具和C語言簡化系統(tǒng)設計，無需在要求出現(xiàn)變化時重新進行模擬設計

* 支持在同一顆MCU上實現(xiàn)其他系統(tǒng)功能，降低系統(tǒng)成本

本文為我們介紹了一種使用線路電平控制（LLC）諧振轉換器的數(shù)字電源控制實施方案，該轉換器基于一款靈活的32位低成本高性能微控制器。文章探討了數(shù)字電源控制的一些關鍵要素，包括占空比控制、死區(qū)實時調(diào)節(jié)、頻率控制以及維持不同安全運行區(qū)的自適應閾值。

當存在有源負載時，可利用各種系數(shù)對電壓補償器進行微調(diào)，這顯示了該實現(xiàn)方法的靈活性?？?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程軟啟動/停止功能的使用以及轉換速率控制，可以避免產(chǎn)生浪涌電流，并降低有效噪聲。最后，開發(fā)人員還可以看到混合突發(fā)模式（Hybrid Burst Mode）控制可以極大地提高輕負載和待機效率。

使用微控制器實現(xiàn)數(shù)字控制

選擇合適的MCU，以提供單個獨立控制器系統(tǒng)控制所需的所有必要性能和外圍器件。擁有足夠余量和專用外圍器件的MCU使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更加高級的控制算法，從而在降低系統(tǒng)成本的同時進一步提高性能。

微控制器很少會有一個專為數(shù)字控制應用優(yōu)化的構架，也很少會有用于增強高速信號處理的高級構架。主CPU內(nèi)核需要內(nèi)置許多DSP功能，例如單周期32x32位乘法累加（MAC）單元，以極大地提高計算處理速度。諸如模數(shù)轉換器（ADC）和PWM等集成控制外圍器件都具有非常高的靈活性，能夠輕松地適應各種使用需求，而且軟件開銷極其的少。例如，ADC具有一個可編程自動排序器，其通過特定順序的采樣做周期性循環(huán)，這樣在應用程序需要時便可準備好各項值。由于更加智能的控制外圍器件和強大的CPU內(nèi)核，控制環(huán)路可以更加緊湊，從而提高了控制算法的動態(tài)特性，并降低干擾。

微控制器需要提供實時數(shù)字控制所需的重要PWM特性包括：

* 軟啟動占空比控制，可避免浪涌電流，實現(xiàn)各種突發(fā)模式（Burst Mode）配置，以增強輕負載效率

* 實時死區(qū)調(diào)節(jié)，可保證所有工作點的ZVS，并優(yōu)化效率

* 跳變區(qū)和內(nèi)部比較器選項，可實現(xiàn)瞬間PWM 關閉，保證系統(tǒng)可靠性和安全性

* 高分辨率的頻率調(diào)節(jié)功能，可提供低至150ps的輸出電壓精度

與模擬控制器不同，使用微控制器的系統(tǒng)可輕松實現(xiàn)自定義，通過使用如PID和2P2Z等可編程電壓/電流調(diào)節(jié)器達到最佳性能。開發(fā)人員可以通過設置安全運行區(qū)邊界閾值（受限于可編程軟啟動/停止功能），防止出現(xiàn)災難性的故障。利用數(shù)字控制實現(xiàn)的其他功能還包括浪涌電流避免、有效噪聲抑制、使用可編程軟瞬態(tài)選項實現(xiàn)的轉換速率控制、多通道應用延時排序和編程以及待機和輕負載可編程突發(fā)模式功能。

LLC 諧振轉換器

一種有名的數(shù)字電源拓撲結構便是諧振轉換器。盡管這種最為常見的諧振拓撲結構擁有高效率和低噪聲，但也存在幾個明顯的局限性。例如，轉換器理論上不能在空載或者輕載條件下進行調(diào)節(jié)，并且在全負載時需要較寬的頻率變化才能對輸出進行調(diào)節(jié)。在輕負載條件下，小諧振電流會產(chǎn)生零電壓開關（ZVS）損耗。另外，能量再循環(huán)會降低高線壓或者輕負載效率。

LLC諧振拓撲結構簡單，克服了傳統(tǒng)諧振拓撲存在的一些缺點。LLC諧振拓撲的優(yōu)點包括：

* 相比理想變壓器，這種變壓器的磁化電感（Lm）相對較小，因此可以實現(xiàn)初級端開關的完全ZVS工作

* 由于開關損耗更低且輸出電壓調(diào)節(jié)效果不變，因此擁有空負載到全負載ZVS的高效率和高功率密度

* 由于使用了ZVS并在零漏電壓條件下進行開關操作，因此電磁干擾（EMI）更低，濾波要求也更低

* 集成變壓器，無需外部并串聯(lián)電感。磁化和漏電感同時也為拓撲的組成部分

* 低電流條件下進行開關的關閉操作，關閉損耗更低

* 沒有二次濾波電感，實現(xiàn)了二次整流器的低電壓應力（受限于二次輸出電壓）和零電流開關（ZCS）操作

諧振轉換器驅(qū)動器用于調(diào)節(jié)半橋開關頻率，最終達到調(diào)節(jié)輸出的目的。但是，通過使用一個低成本的微控制器來調(diào)節(jié)頻率、占空比和死區(qū)，你可以獲得更好的總系統(tǒng)工作效率。圖1顯示了可變輸入、可變輸出的LLC轉換器系統(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）和雙極點雙零點（2P2Z）等——因此可以簡化系統(tǒng)自定義。

微控制器內(nèi)部的嵌入式比較器和跳變區(qū)將會在系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過載、過電壓、低電壓等情況時提供可編程保護。在控制軟件中，軟啟動/停止功能可以避免出現(xiàn)浪涌電流，并降低有效噪聲。可編程軟瞬態(tài)選項可限制轉換速率，而系統(tǒng)則維持規(guī)定的基準電壓水平。利用綜合占空比和頻率控制對增益進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)更平順的啟動過程，并且不會產(chǎn)生過沖或者強浪涌電流。讓系統(tǒng)在突發(fā)模式下運行涉及半橋脈寬調(diào)制器（PWM）的開/關控制，但這樣做可以提高輕負載效率。最后，微控制器上的其他附加外圍器件應允許用戶對同步整流器進行控制。

圖1a： LLC諧振轉換器系統(tǒng)級結構圖。

圖1b： 數(shù)字控制系統(tǒng)。

在次級端，組合使用不同的二極管電路或者同步整流方法，可以提高整體效率，如圖所示。我們可以將該微控制器放置于初級端或者次級端，具體取決于應用要求。

變壓器漏感和磁化電感也作為LLC拓撲的組成部分，目的是最小化成本和尺寸。另外，也可以在樣機試制期間以外部方式實現(xiàn)漏感，以簡化設計和故障排查。除此以外，可以選用外部電感，為優(yōu)化諧振回路設計以解決具體制造難題和設計取舍提供了靈活性。一些常見的諧振回路設計取舍考慮包括系統(tǒng)效率、工作頻率、輸出精度、轉換比率、傳導損耗與開關損耗、系統(tǒng)頻率精度、最大/最小可達頻率以及不斷變化的輸入-輸出要求等。

軟件流程

圖2顯示了單級LLC轉換器控制軟流程，其被劃分為兩個部分：控制相關算法所用的高速、高優(yōu)先代碼和初始化及后臺任務所用的低速、低優(yōu)先代碼。

一般而言，編寫高速代碼的目的是獲得最大效率，實現(xiàn)更大帶寬的控制環(huán)路。該代碼常使用中斷服務程序（ISR）來調(diào)用，當此時會中斷后臺任務。就LLC轉換器而言，其開關頻率可變，可能會使用兩個異步運行的ISR。一個ISR用于處理控制環(huán)路算法，并以固定頻率調(diào)用，目的是與采樣要求和控制規(guī)定相符。第二個ISR用于處理PWM模塊更新，并以PWM開關頻率（變量）調(diào)用，目的是允許同步更新和最小化控制環(huán)路計算與更新之間的延遲。

當沒有ISR處于活躍狀態(tài)時在剩余時段執(zhí)行較慢的后臺循環(huán)。這也就是執(zhí)行一些系統(tǒng)任務的時候，例如：設備檢測、軟啟動、開/關延遲、保護機制、有源負載控制與通信等。我們建立一個任務狀態(tài)機，其為后臺代碼的組成部分。分別使用1ms、5ms和7.5ms用戶定義時段配置三個 CPU 計時器，根據(jù)這些計時器來分組（A1， A2， A3…， B1， B2， B3…， C1， C2， C3…）執(zhí)行任務。在每組內(nèi)，以“循環(huán)”方式執(zhí)行任務。例如，如果每5ms執(zhí)行一次B組，并且B組共有3項任務，則每個“B任務”會每15ms執(zhí)行一次。我們可以使用C編寫“慢”任務，因為使用匯編代碼編寫諧振轉換器控制算法需要花費更多的時間。

圖2： LLC諧振轉換器控制軟件流程圖。

SR PWM計時考慮因素

同步整流器（SR）電流具有正半波正弦形狀。理想的SR計時在非零正電流期間MOSFET導通，并在其他時段截止，這種操作方式與二極管一樣。這意味著，SR會在電流開始時的零電流下導通，并在電流結束時的零電流下關斷，從而實現(xiàn)零電流開關（ZCS）。

根據(jù)初級端開關計時，可以輕松地實現(xiàn)SR開通計時。這是因為，當初級端開關開通時，SR電流在半周期之初開始流動。通過同時或者在其相應初級端半橋PWM之后不久設置SR PWM為開通狀態(tài)，可在SR開通期間實現(xiàn)ZCS。SR關斷計時要更難實現(xiàn)一點。這是因為，SR關斷電流零交叉點隨頻率變化。在諧振頻率以上，SR電流實際上永遠不會在半周期結束以前達到零。在這種情況下，SR關斷計時剛好在半周期末尾處。盡管沒有實現(xiàn) ZCS，但這種方法的功耗最小。諧振頻率時，SR電流在半周期末尾處達到零。這種情況下，SR關斷計時也在半周期末尾處，但卻可以實現(xiàn) ZCS。在諧振頻率以下，SR電流在半周期結束以前便達到零。

這會產(chǎn)生三種可能情況。第一，如果SR關斷過晚，則負電流通過SR MOSFET回流，這會導致元件損壞。第二，如果SR關斷過早，則達不到ZCS，并且會產(chǎn)生額外功耗。第三，如果SR關閉發(fā)生在零交叉點，則可以達到ZCS。就達到ZCS而言，第三種為理想情況。

設置SR關斷計時的方法有很多。一種簡單的方法是選擇一個固定計時（相對于半周期開始或者結束），它可以確保所有頻率下SR在ZCS點或者更早關閉，從而利用SR的優(yōu)點，并且不損壞元件。第二種更加先進的方法是根據(jù)頻率調(diào)節(jié)SR關斷計時。這種方法可在所有頻率下實現(xiàn)ZCS，但是頻率突然改變后在諧振頻率以下運行會出現(xiàn)上述前面兩種情況之一，除非SR關閉計時更新的足夠快。不管是這兩種方法中的哪一種，都要求做實驗來確定每種實現(xiàn)所要求的SR關斷計時，而這是一項費時或者說不切實際的工作。第三種方法是直接根據(jù)SR電流電平調(diào)節(jié)SR關斷計時。盡管這種方法要求使用更多的檢測電路，但卻可以簡化開發(fā)過程，并降低計算要求。

瞬態(tài)調(diào)諧

要想保持環(huán)路調(diào)諧的簡單并且不需要使用復雜的運算或者分析工具，必須通過將它們映射到一套更直觀的系數(shù)來考慮自由度數(shù)目。例如，使用五個2P2Z調(diào)節(jié)器系數(shù)項（B0， B1， B2， A1， A2）時，通過將這些項映射到P、I和D系數(shù)增益（可對每個進行單獨調(diào)節(jié)）可以實現(xiàn)簡化。這種方法要求出現(xiàn)周期性瞬態(tài)或者干擾，然后邊調(diào)節(jié)邊觀察輸出瞬態(tài)，同時轉換器電路板的內(nèi)部有源負載可產(chǎn)生周期性干擾（參見圖3）。

圖3： 有源負載測試，使用各種調(diào)節(jié)器系數(shù)進行全負載到空負載瞬態(tài)響應調(diào)諧。

補償器模塊有兩個極點和兩個零點，并基于通用無限脈沖響應（IIR）濾波器結構。傳遞函數(shù)如下：

PID控制器的遞歸形式如下面差分方程式：

其中：

方程式的Z域傳遞函數(shù)形式為：

將其與通用式對比后，我們可以看出PID只不過是一種特殊的CNTL_2P2Z控制，其中A1 = -1并且A2 = 0。

突發(fā)模式運行

諧振轉換器為輕負載或者無負載時，會有大量主電流流過變壓器磁化電感以保持軟開關，這會帶來損耗，并極大降低輕負載效率。要想克服這個問題，可讓轉換器運行在突發(fā)模式下，以保持最小的轉換器輸入損耗；當負載降至某個值以下時，程序便進入突發(fā)模式。突發(fā)模式是一系列的開關周期，頻率靠近固定頻率，而占空比由一些較長的空載時段間隔。在這些時段內(nèi)，開關處于關斷狀態(tài)，或者占空比設置情況如圖4所示。利用這種方法，諧振回路電流平均值可降低至幾乎可以忽略不計。另外，平均開關頻率相當?shù)牡?，從而降低開關損耗。

圖4： 各種突發(fā)模式實施。

在這種實現(xiàn)中，突發(fā)模式開/關判定均基于輸出紋波。由于空載條件下的紋波量并不嚴重，我們可以定義低于5%輸出電壓的帶寬，來開啟和關閉突發(fā)模式。另外，還可以增加軟件子程序來根據(jù)系統(tǒng)紋波限制情況對開/關時段進行調(diào)節(jié)。對比圖4a和圖4b，“開”時間極大縮短，目的是提高輕負載效率。微控制器的靈活控制功能，讓廣大開發(fā)人員能夠使用一種混合方法來實現(xiàn)突發(fā)模式運行，并能對占空比進行調(diào)節(jié)。

圖4c顯示了一個限定在10% 在的占空比。它允許系統(tǒng)獲得更加平順的瞬態(tài)，降低浪涌電流，并減小各個器件承受的應力。根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)范，開發(fā)人員可在眾多備選方法中選擇出一種最佳的組合，旨在獲得最高的輕負載或者空負載效率。

除突發(fā)模式外，混合方法還可以實現(xiàn)轉換器的軟啟動。LLC轉換器一開始往往會吸取大量電流，而這些電流可以通過增加開關頻率（最大可高出三倍）來控制。利用混合方法，可以在相對較低的開關頻率下有效地抑制浪涌電流。

本文結論

許多OEM廠商都正轉向使用數(shù)字電源控制技術，旨在提高系統(tǒng)性能和效率。一些先進的拓撲結構，例如：基于LLC諧振轉換器的拓撲結構，讓廣大原始設備制造商和終端用戶同時受益，其優(yōu)點包括低系統(tǒng)成本、高響應度、高可靠性和最優(yōu)電源效率。利用集成硬件組件可編程方法帶來的靈活性，原始設備制造商可以快速且輕松地自定義運行狀態(tài)，最大化運行效率，并且高效運行，范圍比模擬實現(xiàn)更寬。高集成度的Piccolo MCU構架，通過在單片上集成完成的系統(tǒng)功能降低了系統(tǒng)成本，同時還優(yōu)化了系統(tǒng)的總體性能。通過系統(tǒng)成本優(yōu)化、長期軟件和工具兼容以及在所有電源控制應用之間運用大規(guī)模投資組合，原始設備制造商可以快速地獲得投資回報。

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