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LLC變換器能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通（ZVS），在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)副邊整流管的零電流關(guān)斷（ZCS），具有開關(guān)管開關(guān)損耗小，整流管無反向恢復(fù)損耗的優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)高效率，高功率密度，廣泛應(yīng)用于通信與服務(wù)器電源、磚塊電源、微逆、充電樁DC/DC、光儲戶用和工商業(yè)雙向DC/DC等行業(yè)。

LLC變換器交錯(cuò)并聯(lián)輸出可以提高輸出功率，降低輸出電流紋波，從而減少輸出電容的電流應(yīng)力和容量，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換器的可靠性和穩(wěn)定性，但是，由諧振腔元器件參數(shù)差異導(dǎo)致的電流不均衡是交錯(cuò)LLC 變換器的控制難點(diǎn)。

小華半導(dǎo)體推出的基于HC32F334數(shù)字電源控制器的兩相交錯(cuò)全橋LLC參考設(shè)計(jì)，出色的解決了交錯(cuò)并聯(lián)均流問題、充分發(fā)揮了LLC拓?fù)涞膬?yōu)勢，其主要規(guī)格和性能優(yōu)勢如下圖所示。

兩相交錯(cuò)LLC系統(tǒng)框圖如圖1所示，其控制方式采用傳統(tǒng)的輸出電壓電流雙環(huán)競爭的PFM模式和輕載BURST模式，同時(shí)，增加了兩相諧振電流的均流環(huán)、實(shí)現(xiàn)兩相均流。

那么小華HC32F334數(shù)字電源控制器是如何支持上述優(yōu)異的性能呢。

圖1 基于小華HC32F334的兩相交錯(cuò)LLC系統(tǒng)控制框圖

LLC是通過調(diào)整頻率來獲得不同的增益，如圖2所示；而控制更新頻率往往固定不變，因此LLC控制頻率和開關(guān)頻率不同步。已量產(chǎn)的不少控制器在應(yīng)用于LLC變頻控制時(shí)容易導(dǎo)致PWM發(fā)波丟波和連波，在此稱這為丟波和連波問題。丟波不致命、但連波往往會(huì)造成炸機(jī)等事故，相信不少開發(fā)同事都深有體會(huì)。

圖2 LLC輸出增益曲線

丟波問題是指由于控制頻率和開關(guān)頻率不同步，導(dǎo)致寄存器更新不正確導(dǎo)致波形異常問題， 有以下幾種典型情形：

情形1.周期更新正常，比較值更新不正常。出現(xiàn)占空比波形不為50%的情況，如圖3所示；

情形2.周期更新不正常，比較值更新正常。出現(xiàn)占空比波形不為50%的情況，或者出現(xiàn)PWM輸出恒高/恒低的情況，看起來像是丟失了波形。如圖4，5所示；

情形3.周期、比較器更新均不正常。出現(xiàn)波形不同步問題。如圖6所示。

圖 3 比較器緩存失敗，導(dǎo)致占空比不是50%

圖4 周期緩存失敗，新周期大于2倍原周期，丟波現(xiàn)象

圖5周期緩存失敗，新周期小于2倍原周期，占空比異常

圖6周期，比較值都緩存失敗，波形不同步

連波問題是指在變頻移相過程中，如果在緩存點(diǎn)時(shí)刻，PWM單元計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值大于新的比較值的情形下，會(huì)導(dǎo)致比較事件在當(dāng)前周期內(nèi)丟失，從而出現(xiàn)連波問題，如圖7所示，由圖示可知，該功能便捷有效地解決了連波問題。

圖7 PWM連波問題

針對丟波問題，小華半導(dǎo)體HC32F334的HRPWM設(shè)計(jì)了單次緩存和全局緩存完成標(biāo)志位的功能來解決丟波問題。

單次緩存是指1）在三角波模式下對單元1單次緩存觸發(fā)位（OSTBTRU1位）寫1后，在其后遇到的第一個(gè)零點(diǎn)緩存?zhèn)魉忘c(diǎn)發(fā)生一次緩存；2）或在鋸齒波模式下，對OSTBTRU1位寫1后，在其后遇到的第一個(gè)周期緩存?zhèn)魉忘c(diǎn)發(fā)生一次緩存。

單次緩存完成以后硬件會(huì)自動(dòng)將全局緩存完成標(biāo)志位（GBSFLR ）置1，完成緩存以后，不會(huì)再發(fā)生緩存，除非軟件重新觸發(fā)單次緩存，如圖8、圖9所示。

在更新影響子寄存器之前先判斷全局緩存完成標(biāo)志、如果為1則表示前面的比較值和周期值得到有效更新，便可以更新新的比較值和周期值，更新完相關(guān)影子寄存器后再觸發(fā)單次緩存；如果全局緩存完成標(biāo)志不為1則表示前續(xù)比較值和周期值未得到有效更新，需等下一控制周期再判斷執(zhí)行、以免覆蓋；相應(yīng)的配置流程和示例程序如圖9所示。

上述表明，HC32F334單次緩存和硬件自動(dòng)置位全局緩存完成標(biāo)志位功能確保了相關(guān)寄存器得到同步更新與避免覆蓋，有效解決了丟波問題。

圖8 HRWPM單次緩存功能示意圖

圖9 單次緩存流程圖和具體實(shí)現(xiàn)代碼示例

針對連波問題，小華HC32F334 設(shè)計(jì)了強(qiáng)制關(guān)斷功能（PHSFOCA/B強(qiáng)制低使能功能）。強(qiáng)制關(guān)斷功能，即在鋸齒波模式下或三角波模式下，當(dāng)強(qiáng)制低使能有效（即PHSFORCA/B位為1），計(jì)數(shù)器在單元1單次緩存?zhèn)魉忘c(diǎn)檢測到當(dāng)前計(jì)數(shù)值大于等于比較值寄存器（HRGCMCR/HRGCMDR）設(shè)定的值時(shí)，將輸出PWMA/PWMB強(qiáng)制設(shè)置為低；當(dāng)強(qiáng)制低使能無效時(shí)（即PHSFORCA/B位為0），對輸出無影響，如圖7所示。

由如圖2中LLC的增益曲線可知，在空載或者輕載的情況下，為控制恒定的輸出電壓，如果采用正常的環(huán)路控制往往需要很高的開關(guān)頻率才能保持增益恒定，這樣會(huì)增加開關(guān)損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)的效率降低。同時(shí)，如果LLC變壓器等的分布電容較大，LLC變換器工作在輕載或空載時(shí)，隨著開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，變換器電壓增益反而變大，從而使得輸出電壓不穩(wěn)、甚至直接導(dǎo)致輸出過壓保護(hù)的現(xiàn)象（稱為LLC增益失真問題）。

為了提高輕載效率和潛在分布電容造成的增益失真的影響，通常會(huì)引入間歇式控制模式、即BURST模式；但是在目前市場上已知的很多方案中，進(jìn)入和退出BURST模式時(shí)由于PWM波形不完整導(dǎo)致諧振電容不能完整的充放電，這樣在退出BURST模式時(shí)，有可能引起原邊MOSFET管硬開關(guān)、甚至?xí)p害原邊MOSFET；

同時(shí)，諧振腔電容電壓由于封脈沖時(shí)刻的不確定性，導(dǎo)致開脈沖時(shí)諧振腔電壓不確定，更容易產(chǎn)生可聞噪聲，產(chǎn)生噪音的主要來源為變壓器線圈受電流瞬態(tài)電磁力產(chǎn)生的形變和震動(dòng)，當(dāng)諧振腔電壓較高時(shí)封鎖脈沖，開脈沖時(shí)電流出現(xiàn)短暫嚴(yán)重不對稱現(xiàn)象和不確定會(huì)加劇這一震動(dòng)。

為了解決Burst模式下潛在的硬開關(guān)和產(chǎn)生可聞噪聲的問題，小華HC32F334設(shè)計(jì)了延遲空閑功能，通過該功能可以便捷的設(shè)置使進(jìn)入和退出BURST模式時(shí)發(fā)出完整的波形，如圖10所示。

圖10 HC32F334 延遲空閑示意圖

延遲空閑是指在關(guān)閉PWM時(shí)延遲PWM進(jìn)入空閑狀態(tài), 在該模式下，會(huì)在完整周期點(diǎn)（HRPWM<t>_GCONR1.PRDSEL中定義）檢測到設(shè)置的空閑狀態(tài)與內(nèi)部PWM（PWMA<B>_<t>_PRE）輸出狀態(tài)一致時(shí)進(jìn)入預(yù)設(shè)的空閑狀態(tài)，從而保證進(jìn)入空閑狀態(tài)波形的完整性；退出時(shí)亦然，如圖10所示。

對應(yīng)的LLC參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)波形如圖11示，通過對比波形可以看到采用延遲空閑功能進(jìn)入和退出burst模式時(shí)都能發(fā)出完整的波形，電流更加對稱平滑、進(jìn)出切換點(diǎn)確定，有效地緩解潛在的硬開關(guān)和產(chǎn)生可聞噪聲的問題。

圖11 驅(qū)動(dòng)不對稱對諧振腔電流和諧振電容的影響

此外，小華HC32F334還設(shè)計(jì)了空閑模式跟隨功能，該功能可以解決對進(jìn)出BURST模式有時(shí)序要求的場合（如采用半橋自舉驅(qū)動(dòng)時(shí)，要求先開下管驅(qū)動(dòng)，再開上管驅(qū)動(dòng)），如圖12所示。

圖中，B通道進(jìn)入空閑的時(shí)刻發(fā)生在A通道進(jìn)入后檢測到PWM<B>_<t>_PRE發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入，退出發(fā)生在B通道退出空閑后檢測到PWM<B>_<t>_PRE發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)退出。

圖12  HC32F334 BM模式下的跟隨功能示意圖

交錯(cuò)并聯(lián)LLC拓?fù)?，由于器件自身的差異?huì)導(dǎo)致諧振腔的諧振點(diǎn)會(huì)有差異，從而導(dǎo)致電流分布不均、進(jìn)而導(dǎo)致器件發(fā)熱不均衡，甚至導(dǎo)致器件損壞。小華半導(dǎo)體LLC參考設(shè)計(jì)通過采樣諧振腔電流，示例了如何應(yīng)用芯片移相功能和軟件算法解決均流問題，無需增加硬件成本。實(shí)驗(yàn)波形如下圖13，14所示。

從測試波形可以看出，在開均流算法以后，諧振腔電流峰值相等。借用HC32F334的移相功能，LLC參考方案根據(jù)采樣兩相諧振腔電流的大小來調(diào)整原邊的移相角從而實(shí)現(xiàn)對輸出功率的調(diào)整、即調(diào)整系統(tǒng)的均流度。通過這種方式不需要額外的硬件電路，不增加硬件成本；驗(yàn)證了HC32F334靈活的移相功能可以支持不同場景下的移相應(yīng)用需求、不僅限于固定相位的交錯(cuò)移相控制。

此外，HC32F334賦能系統(tǒng)方案優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓紋波、滿足嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)特性需求；快速的故障保護(hù)、確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；等等特性限于篇幅在此不再展開，后續(xù)關(guān)于HC32F334更多特性將陸續(xù)展開，同時(shí)小華參考方案也即將上架立創(chuàng)商城、歡迎大家關(guān)注、品鑒。

隨著通信和服務(wù)器電源，尤其是AI服務(wù)器電源對高效率、高功率密度的追求，LLC因其優(yōu)異的ZVS、ZCS特性受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛采用。

本文介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的兩相交錯(cuò)全橋LLC參考設(shè)計(jì)；重點(diǎn)分析和介紹了HC32F334 通過自研HRPWM模塊設(shè)計(jì)的單次緩存功能、硬件自動(dòng)置位全局緩存完成標(biāo)志位和強(qiáng)制關(guān)斷功能，解決了目前不少數(shù)字電源控制器在LLC數(shù)字控制時(shí)常見的丟波和連問題，以及通過便捷的延遲空閑功能有效緩解Burst模式下潛在的硬開關(guān)和產(chǎn)生可聞噪聲的問題；優(yōu)異的動(dòng)態(tài)移相功能支持交錯(cuò)均流控制、無需額外硬件成本; 更多參考設(shè)計(jì)性能測試請參看附錄測試簡報(bào)。

上述參考設(shè)計(jì)驗(yàn)證了小華HC32F334從芯片層面保證穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中PWM發(fā)波的便捷性和可靠性，讓用戶使用起來更便捷、更安全！