《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)字控制DC/DC變換器輕載效率的研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
史永勝1,，高丹陽2,，劉言新1,，王 卓3
1.陜西科技大學(xué) 理學(xué)院,，陜西 西安710021,； 2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021,；3.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,，陜西 西安710021
摘要： 針對傳統(tǒng)模擬電源在輕載時(shí)損耗較大、效率較低的缺陷,，提出一種基于DSP控制的高效率數(shù)字電源設(shè)計(jì)方案,，即Burst模式控制策略，可有效改變輕載模式下的開關(guān)頻率,，使LLC半橋諧振變換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并減少開斷損耗,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種變換器在小于5%額定負(fù)載時(shí)效率能達(dá)到87%以上,，在5%～20%額定負(fù)載時(shí)能夠保持93%及以上的效率,，證明提出的Burst控制策略能夠提高輕載效率。
中圖分類號： TM461
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.032

中文引用格式： 史永勝,，高丹陽,，劉言新，等. 數(shù)字控制DC/DC變換器輕載效率的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015,，41(8)：113-116.
英文引用格式： Shi Yongsheng,，Gao Danyang，Liu Yanxin,，et al. Research of DC/DC converter based on digital control with high light load efficiency[J].Application of Electronic Technique,，2015，41(8)：113-116.
Research of DC/DC converter based on digital control with high light load efficiency
Shi Yongsheng1,，Gao Danyang2,，Liu Yanxin1，Wang Zhuo3
1.College of Science,，Shaanxi University of Science & Technology,，Xi′an 710021，China,； 2.College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science & Technology,，Xi′an 710021，China,； 3.School of Materials Science & Engineering,，Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021,，China
Abstract： To solve the disadvantages of traditional anlog power supply loss and less efficient,，the scheme of digital power based on the DSP is proposed. A new Burst-mode control strategy is proposed,which can change the switch frequency at light load condition. ZVS can be achieved,meanwhile, the LLC half bridge converter switching and transmission loss is reduced，and the light load efficiency is improved. The resuls show that under 5% load condition,，the efficiency reaches 87%,，and in 5%～20% load condition,the efficiency is higher than 93%. The Burst-mode control scheme can improve efficiency.
Key words : digital power；LLC half-bridge resonant,；light load,；DSP；efficiency

0 引言

    近年來,隨著服務(wù)器電源和個(gè)人計(jì)算機(jī)電源對可靠性和穩(wěn)定性[1-2]的要求,傳統(tǒng)模擬電源不能滿足要求,，因其在輕載時(shí)效率較低,，往往要增加輔助電路，增加了控制電路的復(fù)雜性,，降低了電源的可靠性和穩(wěn)定性,，效率也隨之減少[3]。因此,，數(shù)字控制電源被廣泛應(yīng)用,，其集成度已達(dá)到很高水平，輕載效率較模擬電源有很大改善和提高[4-5],。

    如今,，LLC諧振變換器因其具有自然軟開關(guān)特性，被作為數(shù)字電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì),。文獻(xiàn)[6,，7]和文獻(xiàn)[8,，9]分別提出的LLC諧振變換器PWM和PFM控制策略都沒有對輕載模式狀態(tài)進(jìn)行研究，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的高輕載效率,。本文研究的數(shù)字控制諧振變換器如圖1所示,，提出了一種基于DSP控制的Burst模式控制策略，即輕載時(shí)使開關(guān)頻率逐漸減小,，開關(guān)周期次數(shù)減少,，開關(guān)損耗減小，從而得到較高效率,。最后,，通過一臺350 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了所提控制方法的正確性和有效性[7-9]。

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1 LLC諧振變換器工作原理

1.1 變換器重載及輕載工作原理

    圖1是本文設(shè)計(jì)的基于TMS320F2812的高輕載效率的數(shù)字DC/DC變換器的硬件結(jié)構(gòu)圖,。

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    通常使變換器工作在fr1<f<fr2頻率范圍內(nèi),，通過控制半橋LLC諧振電路中Q1、Q2的占空比控制能量傳輸,，調(diào)節(jié)電壓輸出,。當(dāng)諧振變換器帶重載（20%～100%額定負(fù)載），由圖2可知iLr和iLm之間能量之差較大,，此能量通過T1向副邊傳輸；當(dāng)諧振變換器帶輕載(20%額定負(fù)載下),，由圖3可知iLr和iLm之間的能量之差相比于帶重載時(shí)較小,，所以向副邊傳輸?shù)哪芰孔兩?sup>[10-11]，而變換器工作狀態(tài)受直流增益的影響,，影響直流增益的參數(shù)有比例系數(shù)k,、串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q、變壓器匝比n等[12],。

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1.2 采用Burst模式控制原理

    圖4是Burst模式的工作原理圖,，其中Tburst是變換器進(jìn)入Burst模式的工作周期，Ton是兩個(gè)主功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,，Toff是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間,。當(dāng)變換器工作于輕載模式下，主程序進(jìn)入Burst模式,，并且變換器進(jìn)入間歇式工作,，兩個(gè)MOSFET功率開關(guān)管在Toff時(shí)都處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著負(fù)載進(jìn)一步減小,，會減小平均開關(guān)頻率,，開關(guān)周期次數(shù)減小，損耗減少,，達(dá)到提高效率的目的,。

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2 LLC諧振變換器Burst模式控制策略

2.1 硬件設(shè)計(jì)策略

    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。通過采樣電路以及A/D轉(zhuǎn)換器將3路信號(變壓器初級側(cè)電流Ip、輸出電流Io以及輸出電壓Uo)采樣并送入DSP2812,，INA1,、INA2、INA3端口分別對Ip,、Uo和Io采樣,。DSP內(nèi)部的PWM1、PWM2端口輸出死區(qū)固定,、占空比大小固定的驅(qū)動(dòng)信號,，通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)主功率開關(guān)管Q1、Q2,。

    本文所設(shè)計(jì)的變換器的系統(tǒng)參數(shù)如下：額定輸入電壓Vin=400 V,，額定輸出功率350 W，輸出電壓24 V,，輸出電流15 A,，開關(guān)頻率100 kHz，變壓器變比41：6,，諧振電感Lr=60 μH,，諧振電容Cr=42 nF，勵(lì)磁電感Lm=180 μH,。主功率開關(guān)管采用STP12NM50(550 V,，12 A)，驅(qū)動(dòng)芯片采用UCC27424DGN,。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)策略

    本文的DC/DC諧振變換器采用雙環(huán)控制,，如圖5，輸出電壓U0與電壓基準(zhǔn)值Uref比較產(chǎn)生誤差電壓Uerr,，經(jīng)過調(diào)節(jié)器GV形成電壓外環(huán)控制,；變壓器初級側(cè)電流Ip與基準(zhǔn)值電流Iref比較形成誤差電流Ierr，經(jīng)過調(diào)節(jié)器GC形成電流內(nèi)環(huán)控制,；電流內(nèi)環(huán)輸出為有效占空比,，根據(jù)占空比信號產(chǎn)生PWM信號[13-14]。

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    本文采取增量式PID,，即數(shù)字控制器輸出的是相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差：

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    本文根據(jù)變換器系統(tǒng)的硬件條件將采樣頻率調(diào)到極限值,，提高系統(tǒng)尤其是在輕載時(shí)的控制性能，運(yùn)用極點(diǎn)配置的方法整定PID的比例,、積分,、微分系數(shù)，使得變換器在輕載時(shí)達(dá)到良好的控制效果,。由Saber仿真得到整定參數(shù)Kp=0.22,，Ki=1 265,，Kd=0.000 016 2。

2.3 軟件設(shè)計(jì)策略

    本文分別對主程序,、中斷程序和PID算法程序進(jìn)行了設(shè)計(jì),，并且整個(gè)程序運(yùn)行良好，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求,。如圖6所示,，主程序中首先進(jìn)行系統(tǒng)配置及初始化，然后初始化ADC,、PWM及PID控制模塊參數(shù),，并且在等待中斷的時(shí)間內(nèi)采集輸出電壓，如果發(fā)生ADC中斷則進(jìn)入相應(yīng)的流程[15-16],。

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    本設(shè)計(jì)中CPU時(shí)鐘頻率設(shè)為40 MHz,，ADC模塊每20 ms采樣一次。數(shù)字PID運(yùn)算都在ADC中斷調(diào)用執(zhí)行,，得到的輸出控制量U(k)經(jīng)限幅后賦給比較單元寄存器(TXCMPR,，X=3、4)中,，即在程序中加入下面語句實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整PWM波占空比：

    T3CMPR=CMAX-Uk,；

    T4CMPR=Uk；

    其中CMAX為定時(shí)器計(jì)數(shù)最大值,，Uk為PID控制器第K次輸出,。本設(shè)計(jì)在輕載情況下，采用Burst模式控制改變PWM占空比,，隔斷工作周期，形成無效周期,，使得開關(guān)頻率減小,，達(dá)到降低開斷損耗、提高效率的目的,。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

    本文為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,，首先利用參數(shù)對電路進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)以Saber為平臺,，對半橋諧振電路輕載和空載情況進(jìn)行研究分析,。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：諧振電感Lr=60 μH，諧振電容Cr=42 nF,，勵(lì)磁電感Lm=180 μH,。變壓器變比n=41：6，開關(guān)頻率fs=100 kHz,，死區(qū)時(shí)間tdead=200 ns,。

    空載是諧振半橋電路工作時(shí)比輕載更惡劣的一種情況,，在此狀態(tài)下，由圖7波形可知此諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS,，并且在空載時(shí)iLr和iLm之差較穩(wěn)定,，原邊能向副邊穩(wěn)定傳輸能量，并且輸出電壓基本達(dá)到24 V,，說明參數(shù)設(shè)計(jì)較合理,，能夠?qū)崿F(xiàn)諧振，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),，仿真電路工作正常,。本文設(shè)計(jì)了一款額定功率為350 W左右的試驗(yàn)樣機(jī)。

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    圖8為Q2零電壓開通時(shí)各極間電壓,。實(shí)驗(yàn)表明,，此半橋諧振變換器能夠在輕載情況下實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通和副邊二極管的零電流關(guān)斷，零電壓的開通和零電流的關(guān)斷有效減小了開通關(guān)斷時(shí)的損耗,，有助于變換器效率的提高,。

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    圖9將在輕載情況下沒有經(jīng)過Burst模式控制的變換器和經(jīng)過Burst模式控制的變換器作比較，可以發(fā)現(xiàn),，在低于5%額定負(fù)載的情況下效率達(dá)到87%以上,，在5%～20%額定負(fù)載的情況下效率達(dá)到93%以上，遠(yuǎn)高于不經(jīng)Burst模式控制的變換器的輕載效率,。原因在于數(shù)字控制的LLC諧振變換器在輕載時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)技術(shù),，而且不存在PWM變換器中二極管中的反向恢復(fù)電流問題，所以二極管的耐壓降低,，極大地降低了開關(guān)管的開斷損耗,。

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4 結(jié)論

    本文對諧振變換器輕載效率進(jìn)行了研究，提出了一種基于DSP的數(shù)字控制策略,，能夠有效控制開關(guān)管的占空比,，使開關(guān)頻率逐漸減小，開關(guān)周期次數(shù)減少,，開關(guān)損耗減小,，從而在輕載時(shí)得到較高效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，輕載情況下該Burst模式控制下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單易控,，大大降低了開斷損耗，能夠較好地實(shí)現(xiàn)零電壓開通,，可以被廣泛用在機(jī)站電源和特種電源中等,，具有很好的應(yīng)用前景。

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