借助XMC1000實(shí)現準諧振控制

本文介紹了準諧振控制作為一項技術(shù)，相比于其他常規控制方法，可使傳統模式電源實(shí)現最高能效。本文還探討了如何使用英飛凌的XMC1000單片機家族來(lái)實(shí)現這項技術(shù)。文中給出了代碼示例作為參考，以助力簡(jiǎn)化和加快其實(shí)現。

開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)成為人們日常生活中使用的許多設備的重要組件。過(guò)去，它們通常采用簡(jiǎn)單電路來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)市場(chǎng)日益要求更小巧、更輕便、更高效的電源，多種控制技術(shù)應運而生，以滿(mǎn)足這些要求。其中最受歡迎的控制技術(shù)之一名為“準諧振控制”，亦稱(chēng)“谷值開(kāi)關(guān)”。

本應用筆記就用戶(hù)如何使用XMC1000單片機家族來(lái)實(shí)現準諧振控制給予了提示和指導。

1.電源導通模式

開(kāi)關(guān)電源的等級劃分依據是其向負載提供的輸出功率總量。假設某電源具備恒定輸出電壓，那么，其輸出電流應與輸出功率成正比。取決于輸出電流幅值，可以在電源的磁性組件上觀(guān)察到三種截然不同的導通模式。圖1所示為由恒定脈寬調制（PWM）信號驅動(dòng)的升壓轉換器，以演示這些導通模式。本例假定升壓轉換器已到達其穩定狀態(tài)。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）

（1）連續導通模式（CCM）

有些轉換器經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，可以永久地在連續導通模式（CCM）下運行。另一些轉換器則可在多種不同導通模式下運行，并且當向負載提供很高輸出功率（重負載條件）時(shí)，將切換至連續導通模式，其特征是電流持續流過(guò)磁性組件（通常是電感器或變壓器）。

MOSFET硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中損耗較高，因此，這種導通模式的能效相對較低。該仿真所示為升壓轉換器在連續導通模式下運行時(shí)的狀態(tài)。

（2）臨界導通模式（CrCM）

臨界導通模式（CrCM），亦稱(chēng)過(guò)度模式或邊界模式，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始之前，當電感電流到達零時(shí)，即進(jìn)入臨界導通模式。向負載提供中等功率時(shí)，常常使用臨界導通模式。然而，有些轉換器經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，在各種負載條件下，均始終在臨界導通模式下運行。

MOSFET中的導通損耗有所降低，因此，這種導通模式的能效相對較高。該仿真所示為升壓轉換器在臨界導通模式下運行時(shí)的狀態(tài)。

一般而言，通過(guò)加裝零電流檢測（ZCD）電路，即可實(shí)現這種運行模式，如圖1所示。零電流檢測電路能夠檢測出電感電流過(guò)零，可用于觸發(fā)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。在升壓PFC中，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都使用恒定導通時(shí)間來(lái)迫使電感電流與輸入電壓的相位和波形相同。

（3）非連續導通模式（DCM）

當向負載提供的輸出功率很低（譬如輕負載） 時(shí)，即進(jìn)入非連續導通模式（DCM），其特征是電流斷斷續續流過(guò)磁性組件。有些轉換器經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，可以永久地在非連續導通模式下運行，特別是低功率、低成本轉換器，因為這種模式易于控制并且可以實(shí)現優(yōu)良的瞬態(tài)性能。

非連續導通模式的特征是，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始之前，電感電流保持為零一段時(shí)間。非連續導通模式的實(shí)現通常采用恒頻開(kāi)關(guān)和較小占空比，并且一般而言，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期不以任何方式與漏源電壓（VDS）振蕩同步。

在升壓轉換器中，當電感電流到達零時(shí)，輸出二極管變?yōu)榉聪蚱?。這可防止當輸出電壓高于輸入電壓時(shí)，電流在反方向上流動(dòng)。此時(shí)，VDS恢復穩定狀態(tài)，即到達輸入電壓。受MOSFET中的寄生電容和來(lái)自磁性組件的電感的影響，VDS在到達穩定狀態(tài)之前表現出欠阻尼振蕩。

類(lèi)似于臨界導通模式，由于MOSFET中的開(kāi)啟損耗有所降低，這種導通模式的能效相對較高。該仿真為升壓轉換器在非連續導通模式下運行時(shí)的狀態(tài)。

一次性開(kāi)關(guān)

突然開(kāi)啟MOSFET時(shí)，可以清楚地觀(guān)察到MOSFET VDS的阻尼振蕩，如下圖所示。

在欠阻尼振蕩中，“波谷”和“波峰”隨時(shí)間的推移逐漸平緩，直到VDS恢復穩態(tài)平衡點(diǎn)。就升壓轉換器而言，穩態(tài)平衡點(diǎn)即輸入電壓VIN。該仿真為升壓轉換器的波形圖。

2.硬開(kāi)關(guān)VS軟開(kāi)關(guān)

第1節詳細介紹了電源的各類(lèi)型導通模式——所有這些導通模式都假定為理想狀態(tài)。本小節考慮了開(kāi)關(guān)過(guò)程中，各種組件的非理想狀態(tài)——這主要是受寄生電容和電感的影響；以及這樣的非理想狀態(tài)如何造成開(kāi)關(guān)損耗。

（1）硬開(kāi)關(guān)

鉗位感性負載應用（如升壓轉換器）中用作開(kāi)關(guān)元件并在連續導通模式下運行時(shí)，其導通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)過(guò)程并非瞬時(shí)完成。有一個(gè)短暫瞬間，其VDS和ID相互重疊。這是開(kāi)關(guān)損耗的主要源頭，它在很大程度上受MOSFET寄生電容的影響。

這種現象亦被稱(chēng)為“硬開(kāi)關(guān)”，每當電源在連續導通模式下運行時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種現象，因為在電感電流到達零之前，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期便已開(kāi)始。圖6所示為波形。VDS與ID之間的重疊區域表示開(kāi)關(guān)損耗（PLOSS = VDS * ID），已高亮顯示。

（2）軟開(kāi)關(guān)

a.零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）

既然明白了開(kāi)關(guān)損耗是如何產(chǎn)生的，那么，我們可以順理成章地想到，只要能在MOSFET VDS到達零時(shí)觸發(fā)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，就可以完全消除開(kāi)關(guān)損耗。這樣的方法被稱(chēng)為零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），如下圖所示。

然而，諸如升壓轉換器、降壓轉換器或反激式轉換器等標準電源拓撲無(wú)法實(shí)現零壓開(kāi)關(guān)，因為其VDS收斂到輸入電壓。這種方法要求具備諸如LLC或LCC等諧振電路的專(zhuān)門(mén)的“諧振拓撲”來(lái)實(shí)現零壓開(kāi)關(guān)。

b.零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）

設計為在臨界導通模式或非連續導通模式下運行的電源轉換器中，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始之前，磁性組件中的電流將到達零。這被稱(chēng)為零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），它可最大限度地縮小VDS與ID之間的重疊區域，從而降低開(kāi)關(guān)損耗，盡管并未完全消除開(kāi)關(guān)損耗。

與連續導通模式硬開(kāi)關(guān)形成對比，零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)亦被稱(chēng)為“軟開(kāi)關(guān)”。

3.準諧振開(kāi)關(guān)

如前文所述，在所有標準電源拓撲（升壓轉換器、降壓轉換器和反激式轉換器）中，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期結束后，VDS均收斂到輸入電壓。因此，MOSFET的漏源寄生電容（CDS）存儲了一些電荷，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期通過(guò)MOSFET釋放。這表現為MOSFET產(chǎn)生額外的瞬態(tài)漏極電流（ID）變大。

如果非連續導通模式電源轉換器開(kāi)關(guān)以恒定頻率工作，那么，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可能在任意波谷或波峰開(kāi)始，因此開(kāi)關(guān)損耗波動(dòng)顯著(zhù)。如果下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在波峰開(kāi)始，則會(huì )加劇開(kāi)關(guān)損耗，反之亦然；如果下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在波谷開(kāi)始，則可減少開(kāi)關(guān)損耗。

通過(guò)在任意波谷中間觸發(fā)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，可使VDS保持在最低水平。假設相同量的漏極電流ID流過(guò)MOSFET，那么，比之常規硬開(kāi)關(guān)，導通損耗（PLOSS = VDS * ID)）的相對量可大幅降低。圖8表明了這種狀態(tài)，導通損耗降低體現為曲線(xiàn)下方的重疊區域縮小。

有時(shí)候，如果輸出電壓與輸入電壓的差值較大，那么，當下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，VDS可能到達零值。這種情況下，導通損耗完全消除，實(shí)現類(lèi)似于零電壓開(kāi)關(guān)的運行狀態(tài)。因此，這種方法被稱(chēng)為“準諧振開(kāi)關(guān)”或“谷值開(kāi)關(guān)”。

準諧振開(kāi)關(guān)始終在非連續導通模式下運行，要求使用零電流檢測（ZCD）電路來(lái)迫使下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在最低VDS（即，波谷）開(kāi)始。

準諧振導通模式可以最大限度地降低MOSFET的開(kāi)啟損耗，從而實(shí)現最高能效。該仿真為升壓轉換器在準諧振導通模式下運行的狀態(tài)。

谷值跳躍

在采用升壓轉換器或反激式轉換器的交流/直流功率因數校正應用中，可以實(shí)現具備恒定導通時(shí)間的準諧振開(kāi)關(guān)。這種方法的效果和臨界導通模式一樣。

隨著(zhù)PFC負荷降低，導通時(shí)間將相應地縮短，以維持恒定的輸出電壓。這樣一來(lái)，PFC的平均開(kāi)關(guān)頻率就會(huì )提高。盡管準諧振模式可以大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，但開(kāi)關(guān)損耗仍會(huì )隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而再次增加。此外，電磁干擾（EMI）亦會(huì )加劇。

為了緩解這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)在后繼波谷觸發(fā)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期來(lái)降低開(kāi)關(guān)頻率。這種方法被稱(chēng)為“谷值跳躍”，它可在低負荷條件下降低開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)將EMI維持在可接受的水平。

下圖所示為谷值跳躍，MOSFET接通在第二個(gè)波谷執行。

谷值跳躍可以降低開(kāi)關(guān)頻率，而不影響能效。該仿真為升壓轉換器在準諧振導通模式下運行的狀態(tài)，它每隔一個(gè)波谷接通MOSFET。

4.借助英飛凌設計工具執行電路仿真

Infineon Designer是業(yè)界首個(gè)兼具模擬和數字電路仿真功能的互聯(lián)網(wǎng)設計工具，它基于SPICE，具有強大的仿真引擎。Infineon Designer有助于工程師輕松仿真和修改電路，從而評估應用電路及英飛凌產(chǎn)品，最終通過(guò)仿真優(yōu)化電路設計。