0 引言

    目前,，AC/DC變換器主要用于計(jì)算機(jī)適配器、服務(wù)器和電信系統(tǒng)的各領(lǐng)域,，這就要求AC/DC變換器在整個(gè)負(fù)載工作范圍內(nèi)以及通用電源輸入電壓范圍內(nèi)具有高效率,、高密度、高可靠性,、尺寸小以及低系統(tǒng)成本等特點(diǎn)^[1],。這使得AC/DC變換器設(shè)計(jì)面臨著更高挑戰(zhàn)。而市面上大多數(shù)AC/DC電源使用的是基于模擬芯片的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),，采用雙路PFC控制器,、PWM控制器和DC/DC控制器組合的設(shè)計(jì)。但是,，也有使用單路模擬控制或者PFC和DC/DC控制器兩者組合的設(shè)計(jì),，其優(yōu)點(diǎn)是可以減少元器件數(shù)量和系統(tǒng)成本。

    隨著新技術(shù)的發(fā)展,，新的數(shù)字化方法可以實(shí)現(xiàn)使用微控制器來控制PFC和DC-DC變換器^[2],。本文基于新的數(shù)字控制方法，介紹了一種功率200 W的開關(guān)電源設(shè)計(jì),，該開關(guān)電源采用STM32F334微控制器進(jìn)行全數(shù)字控制,。電源系統(tǒng)由 STM32F051K8控制的輸入無橋功率因數(shù)校正器和由STM32F334微控制器控制的半橋LLC諧振變換器兩部分組成。

1 整體方案設(shè)計(jì)

    數(shù)字開關(guān)電源的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,。從左到右,，分別是輸入端、EMI濾波器,、無橋PFC,、半橋LCC、輸出端和控制電路,。在標(biāo)準(zhǔn)AC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中,，EMI濾波器都是連接到二極管橋式整流器的輸入端，然后二極管橋式整流器輸出端連接到PFC級(jí)的輸入端,。然而,，本文200 W AC-DC采用的是無橋PFC拓?fù)洌@種拓?fù)涫峭ㄟ^去掉二極管橋式整流器,，從而使系統(tǒng)具有更低的傳導(dǎo)損耗和更高效率的優(yōu)點(diǎn),。該拓?fù)溥€具有相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)PFC能減少組件數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)。

    該方案使用用于總線電壓調(diào)節(jié)的外部電壓回路和用于根據(jù)正弦波形成電流的內(nèi)部控制回路來控制輸入級(jí),。采用外環(huán)來調(diào)節(jié)電流基準(zhǔn),，以便使總線電壓保持穩(wěn)定。輸出端隔離和功率級(jí)采用半橋LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方式是采用恒定占空比和可變頻率控制,。半橋LLC使用高頻變壓器執(zhí)行電壓降壓,，同時(shí)設(shè)置了變壓器初級(jí)到次級(jí)的匝數(shù)比，以在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持良好的效率和調(diào)節(jié),。變壓器初級(jí)側(cè)提供有源開關(guān)產(chǎn)生的方波電壓,。在次級(jí)側(cè)，該電壓波形被二極管整流,，然后由輸出濾波器過濾輸出直流,。在初級(jí)側(cè)，由于半橋開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS）,，導(dǎo)致開關(guān)損耗降低,。

    該系統(tǒng)由STM32產(chǎn)品系列的兩個(gè)微控制器控制。在初級(jí)側(cè),，STM32F051通過采樣PFC兩個(gè)MOSFET的電流,，母線輸入交流電壓和PFC輸出總線電壓來控制無橋PFC。通過STM32F051產(chǎn)生兩個(gè)控制信號(hào)PWM1和PWM2,，以驅(qū)動(dòng)無橋PFC的兩個(gè)開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài),。在功率級(jí)由一個(gè)STM32F334C8微控制器對(duì)LLC拓?fù)涞妮敵鲭妷哼M(jìn)行采樣，調(diào)整LLC半橋控制信號(hào)的頻率,，以確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)電源能穩(wěn)定工作,。此外，兩個(gè)微控制器通過雙向串行通信方式交換有關(guān)輸入和輸出功率級(jí)狀態(tài)的信息,。功率級(jí)和控制級(jí)均采用離線反激電路,，反激電路為微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)IC和信號(hào)調(diào)理電路提供合適的穩(wěn)壓電壓,。

    該數(shù)字電源在通用交流輸入電壓90 V～265 V下,，產(chǎn)生48 V穩(wěn)壓輸出。該裝置的連續(xù)額定功率為200 W,，中間高壓直流母線通過PFC調(diào)節(jié)為396 V,。LLC電路通過高頻變壓器將高直流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)隔離,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無橋PFC工作原理

    無橋PFC是一種高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，其特點(diǎn)是沒有二極管橋式整流器，并且在任何工作間隔期間僅在電流導(dǎo)通路徑中兩個(gè)半導(dǎo)體才導(dǎo)通^[3],。無橋PFC升壓轉(zhuǎn)換器的基本方案如圖2所示。升壓電感直接連接到輸入交流電源側(cè),，另一端連接到功率MOSFET的漏極和快速開關(guān)二極管的陽極,。兩個(gè)二極管的陰極連接到輸出濾波電容，然后并聯(lián)連接到負(fù)載電阻,。但是,，由于交流側(cè)與電感直接相連,，對(duì)于高頻信號(hào)而言，電感相當(dāng)于開路,，這將導(dǎo)致變換器的輸出電壓與輸入電壓不共地,，輸出電壓將會(huì)處在懸浮狀態(tài)，電磁干擾嚴(yán)重,，因此,，該電路的實(shí)用性并不高。

    而二極管式無橋PFC變換器是無橋PFC改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，其特征在于增加了兩個(gè)二極管D3和D4,，如圖3所示。這些二極管的目的是保持負(fù)相連接到PFC接地,，從而解決了無橋PFC拓?fù)涞腅MI濾波問題,。本文設(shè)計(jì)采用的是二極管式無橋PFC結(jié)構(gòu)，以下分析二極管式無橋PFC變換器設(shè)計(jì)內(nèi)容,。

    為了簡(jiǎn)化分析,，假設(shè)所有器件都工作在理想條件下，不計(jì)電路中寄生參數(shù)的影響,，PFC工作在DCM模式下,，在一個(gè)開關(guān)周期過程中認(rèn)為輸入交流電壓保持不變。

    在一個(gè)工頻周期內(nèi),，根據(jù)開關(guān)管的開通關(guān)斷狀態(tài),，雙二極管式無橋PFC變換器可以分為四個(gè)工作模態(tài)^[4]，如圖3所示,。

    模態(tài)1：在交流電壓的正半周期,，MOSFET S1開通，S2關(guān)斷,。電流從輸入端出發(fā),，流經(jīng)電感L1及開關(guān)管S1，之后一部分電流經(jīng)MOSFET S1的體二極管及L2返回輸入端,，另一部分電流經(jīng)二極管D4返回輸入端,。

    模態(tài)2：在交流電壓的正半周期，MOSFET S1關(guān)斷,，S2關(guān)斷,。電流從輸入端出發(fā)，流經(jīng)電感L1,、二極管D1,、負(fù)載及電容，之后一部分電流經(jīng)MOSFET S2的體二極管及L2返回輸入端，另一部分電流經(jīng)二極管D4返回輸入端,。

    模態(tài)3：在交流電壓的負(fù)半周期,，MOSFET S1關(guān)斷，S2開通,。電流從輸入端出發(fā),，流經(jīng)電感L2及MOSFET S2，之后一部分電流經(jīng)MOSFET S1的體二極管及L1返回輸入端,，另一部分電流經(jīng)二極管D3返回輸入端,。

    模態(tài)4：在交流電壓的負(fù)半周期，MOSFET S1關(guān)斷,，S2關(guān)斷,。電流從輸入端出發(fā)，流經(jīng)電感L2,、二極管D2,、負(fù)載及電容，之后一部分電流經(jīng)MOSFET S1的體二極管及L1返回輸入端,，另一部分電流經(jīng)二極管D3返回輸入端,。

    通過以上分析可以看出，在電路的工作過程中,，電流的導(dǎo)通路徑上只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件參與工作,，因此其通態(tài)損耗較小、效率較高,，且由于二極管D3和D4使輸出端與輸入端建立了聯(lián)系,，使得電路的共模干擾較小。但是,，在前面的分析中,，都是假設(shè)在正半周期和負(fù)半周期期間，兩個(gè)MOSFET中只有一個(gè)在動(dòng)作而另一個(gè)保持恒定,。除了上面提到的一個(gè)假設(shè)之外,，實(shí)際上還有兩個(gè)額外的控制方式^[5]。

    第一種控制方式是,，在正半周期期間,，輸入電壓S2接通和斷開，而S1保持接通,。在電壓的負(fù)半周期期間,，S1接通和斷開，而S2保持接通,。該控制策略允許返回電流流過MOSFET的溝道而不是流過體二極管,，因此可以提高效率,。

    第二種控制方式是，兩個(gè)MOSFET同步控制,，相同的PWM信號(hào)施加到兩個(gè)MOSFET柵極。同樣,，在返回階段電流流過MOSFET時(shí),，其好處是功耗更低。此外,，兩個(gè)MOSFET只能使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),。

    綜上分析，本文采用的是具有同步控制的雙二極管式無橋PFC,。

2.2 二極管式無橋PFC設(shè)計(jì)

    本文二極管式無橋PFC設(shè)計(jì)在DCM模式下的主要規(guī)格如表1所示,。

    變換器的參數(shù)應(yīng)該根據(jù)電路工作于最低輸入電壓時(shí)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入電壓最低時(shí)輸入電流最大,。

2.2.1 輸入電流的最大有效值

    考慮到最小輸入電壓和所需的最低轉(zhuǎn)換效率,，可以計(jì)算出輸入電流的最大有效值為：

2.2.2 升壓電感值

    選擇兩個(gè)升壓電感值，使其在輸入電壓變化范圍和負(fù)載變化范圍內(nèi),，升壓電感處于DCM模式下,。選擇公式如下：

2.2.3 功率MOSFET選擇

    功率半導(dǎo)體的選擇是滿足應(yīng)用效率要求的基礎(chǔ)。在升壓PFC中,，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),，電流等于電感電流。式(4)中計(jì)算的峰值電流也是開關(guān)的峰值電流,。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí),，漏極-源極電壓是輸出電壓。因此,，選擇MOSFET的額定電壓要大于輸出電壓,，額定電流要大于最大電感電流。由于在DCM中工作的升壓PFC主要受傳導(dǎo)損耗的影響,，因此使用具有低漏極-源極電阻的功率MOSFET非常重要,，以確保高效率。器件值的輸出電壓根據(jù)式(5)選擇：

    為滿足設(shè)計(jì)要求,，選擇IPA60R180P7S N溝道功率MOSFET用作M1和M2,。該器件的最小擊穿電壓為650 V，25 ℃時(shí)最大導(dǎo)通電阻為180 mΩ,?？倴艠O電荷為25 nC。

2.2.4 整流二極管選擇

    整流二極管電流計(jì)算為：

    兩個(gè)BYV29X-600二極管,，其特點(diǎn)是峰值電壓為600 V,，平均正向電流為9 A,，用作整流二極管。在T=150 ℃時(shí),，8 A的正向壓降約為0.9 V,。

2.2.5 輸出電容選擇

    選擇輸出電容值，將輸出電壓紋波限制為標(biāo)稱輸出電壓的1％,?？筛鶕?jù)式(7)來定義輸出電容值：

    其中ω是電源角頻率，ΔV₀是輸出電壓紋波,。4個(gè)450 V的100 μF電解電容已并聯(lián)連接在PFC輸出上,。

2.2.6 電流檢測(cè)

    流過每個(gè)電源開關(guān)的電流通過CT檢測(cè)。它們位于電感和MOSFET之間,。由于這種放置,，控制算法只能使用電感電流的上升部分。始終在柵極控制PWM的中點(diǎn)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣,。然后,，可以對(duì)電流樣本進(jìn)行數(shù)字校正，以便計(jì)算平均電感器電流,。實(shí)際上,，與CCM情況相反，當(dāng)PFC處于DCM中時(shí),，在MOSFET三角形電流波形的中點(diǎn)處感測(cè)到的電流不再等于電感器平均電流,。

    CT必須承受式(4)中計(jì)算的峰值電流。所選的電流檢測(cè)變壓器是Murata的53040C,。其特征在于磁化匝數(shù)比為40,。

2.3 PFC控制策略

    本文PFC控制策略采用的是在非連續(xù)導(dǎo)電模式下的PFC數(shù)字平均電流法^[6-7]。圖4給出了數(shù)字平均電流法APFC的原理圖,，其工作原理是PFC主電路的輸出電壓經(jīng)采樣電路采樣傳遞到微控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后,，與參考基準(zhǔn)電壓V_ref相比較，然后經(jīng)過電壓控制環(huán)的處理,，得到電壓環(huán)控制信號(hào)V_e,，V_e與主電路整流輸入電壓V_im的采樣值相乘。乘法器的輸出作為電流控制環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)信號(hào)I_ref,，通過調(diào)節(jié)電流基準(zhǔn)信號(hào)的平均幅值,，使得輸出電壓保持恒定。PFC電路MOS反饋電流經(jīng)過電流采樣電路傳遞到微控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后,，與基準(zhǔn)信號(hào)比較后輸入電流控制環(huán)節(jié),，得到的輸出是占空比電壓信號(hào)V_e，V_e通過微控制器定時(shí)器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制開關(guān)管的通斷,。因?yàn)榭刂菩盘?hào)是占空比周期性變化的信號(hào),，所以得到的輸入電流波形上跟隨輸入電壓整流后的信號(hào)波形,，當(dāng)開關(guān)頻率比輸入電壓頻率高得多時(shí)，輸入電流具有與輸入電壓基本相同的波形形狀,。從輸入端看起來,，整個(gè)負(fù)載好像呈純阻性，功率因數(shù)接近于1,。

3 半橋LLC諧振變換器設(shè)計(jì)

3.1 LLC轉(zhuǎn)換器概述

    DC-DC變換器的目的是將無橋PFC輸出電壓降至48 V,，而DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是LLC半橋拓?fù)洹Ｈ鐖D5所示,，LLC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)由輸入和輸出電容器C2和C3，MOSFET M3,、M4,，變壓器T1和諧振電容器C_r組成。圖5中描繪的諧振電感器L_r和磁化電感器L_m分別為獨(dú)立的高頻變壓器,。輸出整流級(jí)采用兩個(gè)整流二極管,，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)電流導(dǎo)通。LLC拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)是^[8]：

    (1)在初級(jí)側(cè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,。

    (2)在次級(jí)側(cè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通,。

    (3)非常好的負(fù)載調(diào)節(jié),。

    主要缺點(diǎn)是對(duì)輸入電壓變化具有高靈敏度，這需要一些設(shè)計(jì)權(quán)衡以在寬輸入電壓范圍內(nèi)優(yōu)化電路,。表2中報(bào)告了用于該設(shè)計(jì)的規(guī)范,。

3.2 LLC諧振變換器設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)步驟如下^[9-10]：

    LLC轉(zhuǎn)換器諧振回路的電壓增益可以表示為式(8)。

    (1)變壓器匝數(shù)比：

    假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓下的所需的電壓增益為一,，則計(jì)算得出：

    (3)計(jì)算等效負(fù)載電阻：

    由于在396 V DC(選定輸出PFC電壓)的輸入電壓下完成效率優(yōu)化過程,，所選值與計(jì)算不同，經(jīng)過反復(fù)迭代,。得諧振回路的值是：C_r=15 nF,，L_r=117 μH，L_m=600 μH,。

    變壓器設(shè)計(jì)用于兩個(gè)獨(dú)立的電感L_r和磁化電感L_m,。諧振電容通過一個(gè)15 nF，1 kV聚丙烯電容器的串聯(lián)在諧振腔,。利用上面計(jì)算的值,，得到的諧振回路增益如圖6所示。

    滿載和396 V DC輸入電壓下的工作頻率為120 kHz,。滿載和最小輸入電壓下的最小工作頻率為94 kHz,。無負(fù)載和最大輸入電壓時(shí)的最大工作頻率為164 kHz,。

3.3 半橋MOSFET選擇

    LLC轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)使用的功率MOSFET在100 ℃的外殼溫度下具有600 V的擊穿電壓和6.9 A的漏極電流。根據(jù)這個(gè)提前,，該半橋MOSFET型號(hào)為IPA60R450PE6,。其特點(diǎn)是根據(jù)超級(jí)結(jié)(SJ)原理設(shè)計(jì)。這確保了極低的導(dǎo)通電阻和最佳的開關(guān)性能,，使其成為這種應(yīng)用的理想選擇,。

3.4 LLC控制策略

    LLC諧振電路通過STM32系列的32位微控制器產(chǎn)生MOSFET信號(hào)，以確保精準(zhǔn)的輸出電壓調(diào)節(jié),?？刂品桨溉鐖D7所示。

    LLC控制采用的是基于PI調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)單電壓控制回路,，LLC轉(zhuǎn)換器輸出電壓通過電壓采樣電路采樣傳遞到微控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后,，與參考電壓V_ref相比較，然后經(jīng)過電壓控制環(huán)的處理,，得到電壓環(huán)控制信號(hào)V_e,，V_e通過微控制器定時(shí)器產(chǎn)生兩路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制LLC諧振電路兩個(gè)開關(guān)管的通斷。

    STM32F334微控制器具有高分辨率定時(shí)器(HRTIM)外設(shè),，可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)模式,，以控制初級(jí)LLC半橋MOSFET。HRTIM專門用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),。它采用模塊化架構(gòu),，可以產(chǎn)生多達(dá)十個(gè)數(shù)字信號(hào)，具有獨(dú)立或耦合波形,。

    同時(shí),，HRTIM具有定時(shí)測(cè)量功能以及與內(nèi)置ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的鏈接。它具有輕載管理模式,，能夠處理各種故障方案,，以實(shí)現(xiàn)安全關(guān)機(jī)。 

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本軟件設(shè)計(jì)采用PID控制法,，即通過采樣輸出電壓與期望輸出電壓比較產(chǎn)生誤差信號(hào),，將誤差輸入PID算法計(jì)算出所需占空比，通過改變占空比來達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的,。

    系統(tǒng)的程序主要分為兩個(gè)部分：主程序和子程序,。主程序主要包括 Main函數(shù)、ADC中斷,、PID控制子程序,。主程序完成ADC、PWM,、HRTIM,、PID等模塊的初始化,，等待ADC中斷到來，檢測(cè)到中斷信號(hào)就執(zhí)行相應(yīng)流程,。程序流程圖如圖8所示,。

5 測(cè)試總結(jié)

    使用數(shù)字示波器、臺(tái)式萬用表,、電流鉗,、數(shù)字功率計(jì)等電子設(shè)備對(duì)其電子特性進(jìn)行測(cè)量,選用一臺(tái)200 W的工業(yè)路燈作為電源負(fù)載。在電流恒定在4.2 A,，電壓30 V～48 V條件下,，輸出電壓的效率曲線如圖9所示。

    可以看出該電源在負(fù)載電流恒定情況下,，輸出電壓越高所得到的效率越高,，但效率的斜率上升緩慢，達(dá)到某一點(diǎn)趨于穩(wěn)定,。輸出電壓48 V時(shí)，效率可達(dá)到93%,。體現(xiàn)出采用所設(shè)計(jì)的LLC諧振變換器具有工作頻率范圍窄,，全輸入范圍內(nèi)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

    通過系統(tǒng)測(cè)試,，數(shù)字電源輸入電壓為220 V,，而輸出電壓范圍為30 V～48 V，最終可以實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定以及輸出電壓可調(diào)等功能,，功率達(dá)200 W,。并且數(shù)字電源具備輸入欠保護(hù)、如壓,、過壓保護(hù),、輸出過壓、過流保護(hù)等保護(hù)功能,，符合設(shè)計(jì)要求,。

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作者信息:

饒  剛，王  威

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,，湖北 武漢430081)