基于STM32的數字控制LLC變換器研究

申宏偉，王建軍，張昊東，譚文華，萬志華

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

0 引 言

開關電源通過幾十年的發展，以其體積小、效率高等優點在大部分場合已經取代線性電源。早期的開關電源控制電路采用分立模擬器件，隨著半導體技術的發展出現了集成模擬控制芯片配合外圍電路的控制方式，后來又逐漸發展出模擬集成控制加數字監控的半數字控制方式。而近年來以單片機、DSP等為控制核心的全數字控制方式已經成為開關電源的一個重要發展方向。數字控制相對于模擬控制具有可靠性高，靈活性強，環境敏感度低，受溫度、器件老化的影響小，可以通過編程實現模擬控制無法實現的復雜算法，可實現故障自診斷、通信、控制等功能，智能化程度高等優點。此外，數字控制的電源在形成系列化時具有顯著優勢，其控制部分的電路可以保持不變實現通用，只需要修改單片機中的程序即可。而隨著單片機技術的發展，其運算速度越來越快，外設功能越來越強，各種通信接口也越來越豐富，以前限制數字電源產品化的問題，如PWM信號頻率、分辨率，AD轉換速度、分辨率，運算速度等都在不同程度上得到了解決。目前市面上已經有大量的高性能單片機可以滿足數字電源的應用需求［1，2］。

LLC諧振變換拓撲是目前比較流行的一種電源主功率變換電路結構，該拓撲通過諧振腔元件的諧振作用，可以實現變壓器原邊側開關管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷，從而顯著降低開關損耗，具有體積小、效率高的優點，廣泛應用于新能源電能變換、電池充電機等領域［3］。相對于以移相全橋軟開關變換器為代表的傳統PWM型變換器，LLC變換器的控制方式有較大差異。LLC變換器采用PFM控制方式，即脈沖寬度保持不變，占空比恒定為0．5，通過控制開關頻率，改變諧振元件的阻抗，進而調節輸出電壓。因此在設計LLC變換器的控制系統時，傳統PWM變換器的許多設計方法和經驗將不再適用。LLC變換拓撲的固有特性使得其對工作狀態和元件參數相對敏感，因此需要相對復雜的控制算法才能在保證不同工況和參數容差范圍內穩定工作的前提下，提高其動態響應性能。而數字控制方式的靈活性和可實現復雜算法的特性使其應用在LLC變換器控制時相對模擬控制方式具有明顯優勢［4，5］。

1 系統組成

數字控制LLC變換器系統框圖如圖1所示，包括主電路和控制電路兩部分。主功率變換電路采用半橋LLC諧振變換拓撲。Q1和Q2為半橋的兩個功率開關管，D1和D2為功率開關管的寄生二極管，Cds1和Cds2包含開關管的寄生結電容和外加吸收電容，通過Q1和Q2的開關動作，將在半橋橋臂中點輸出占空比為0．5的方波電壓。Cr為諧振電容，Lr為串聯諧振電感，Lp為并聯諧振電感，Cr、Lr和Lp組成諧振腔。Dr1和Dr2為副邊整流二極管，C1為輸出濾波電容，Dr1、Dr2和C1組成整流濾波網絡將交流方波電壓整流濾波成為平穩的直流輸出電壓。

圖1 數字控制LLC變換器系統框圖

控制電路中控制核心為STM32F105單片機，通過其上運行的控制程序實現變換器系統的控制。電壓、電流、溫度傳感器分別將各自采集的模擬量轉換為0～3．3 V的電壓信號提供給單片機的AD口，驅動電路將單片機輸出的脈沖控制信號經隔離放大后產生兩路互補驅動信號驅動主電路開關管工作。鐵電存儲器作為單片機的外部擴展存儲器，可以存儲電源運行信息和參數配置信息。CAN收發器用于實現電源與外部進行總線通信。輔助電源為控制電路中的各部件提供工作電源。

2 單片機片上外設配置

控制核心為意法半導體公司生產的Cortex－M3內核的STM32F105單片機。該款單片機采用精簡指令集，主頻最高可達72 MHz，具有豐富的外設資源，可以滿足數字電源應用所需的高速計算、AD轉換、脈沖控制信號產生、總線通信等功能。

單片機的片上資源配置如圖2所示，外部8 M無源晶振通過鎖相環倍頻產生72 M系統時鐘再通過各級預分頻從而產生驅動相應外設的時鐘信號。內部40 kHz低速時鐘驅動獨立看門狗模塊IWDG，作為內部安全機制，在軟件特定部位放置喂狗語句。當程序執行異常，不能及時執行喂狗語句時，獨立看門狗模塊可對系統進行復位。SYSTICK時鐘用來實現主程序循環任務調度的計時和中斷程序的觸發。設置4個GPIO端口用來采集開關量實現地址識別功能。USART1提供串口燒寫功能，SPI接口用來擴展外部存儲空間，bxCAN模塊提供兩路CAN通信接口。

高級定時器TIM1產生兩路互補導通帶死區時間并且頻率可調制的脈沖控制信號用來驅動開關管通斷，控制信號產生原理如圖3所示。

圖2 單片機片上資源配置

圖3 帶死區的互補控制信號產生原理示意圖

TIM1工作于向上計數模式，每個計數周期里，TIM1＿CNT從0開始遞增，增大到TIM1＿ARR中的值為止，然后再從0開始進入下一個周期。當TIM1＿CNT中的值小于TIM1＿CRR中的值時，OCR1REF輸出無效電平；反之，OCR1REF輸出有效電平。輸出信號OC1與OC1REF同相，OC1N與OC1REF反相，從而實現互補輸出。脈沖控制信號的頻率由TIM1＿ARR中的值決定，占空比由TIM1＿CCR中的值和TIM1＿ARR中的值共同決定。令TIM1＿CCR中的值始終為TIM1＿ARR中值的一半，通過改變TIM1＿ARR中的值即可產生頻率可調、占空比恒定為0．5的兩路互補脈沖控制信號。通過配置相關寄存器則可以在兩路互補信號中插入死區時間，即OC1的上升沿相對OC1REF的上升沿延遲一個死區時間，OC1N的上升沿相對于OC1N的下降沿延遲一個死區時間，死區時間大小可以配置。

通用定時器TIM2工作于從模式，由TIM1觸發開啟定時，并用比較事件CC2啟動ADC2規則組轉換，該組只包含輸出電壓一路模擬量，其啟動觸發時序如圖4所示。t1時刻TIM1比較事件觸發TIM2開始計時，t2時刻TIM2比較事件觸發ADC2規則組開始轉換，t4時刻轉換完成。ADC1規則組包含輔助源電壓、輸出電流1、輸出電流2三路模擬量，采用連續掃描模式，并使用DMA功能。ADC1注入組包含線纜壓降采樣、輸出過壓保護電壓采樣、溫度采樣2和溫度采樣3四路模擬量，采用連續掃描模式，通過在主循環中通過軟件循環啟動轉換。

圖4 ADC2規則組啟動觸發時序圖

3 控制程序設計

電源系統控制程序包括一個主程序和一個中斷程序。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

主程序中通過SYSTICK時鐘計時來進行時間片的分配，分時執行各個任務，實現任務調度。主循環中共有4個常規任務，分別為保護任務、軟啟動任務、電壓設定任務和CAN通信任務。保護任務中實現輸入過壓保護、輸入欠壓保護、過溫保護、輔助源電壓異常保護、限流環給定值計算和啟動ADC1注入組轉換等功能。軟啟動功能實現電源開機或故障恢復重啟后，控制輸出緩啟，避免沖擊。電壓設定功能中根據實時運行狀態計算出電壓環給定值，用以實現并聯均流和線纜壓降補償等擴展功能。

中斷程序由TIM1觸發中斷，中斷中執行電壓環和限流環計算。電源采用如圖6所示恒壓限流控制策略。電壓環和限流環為并聯關系，二者計算結果進行比較，取二者中的較小值作為最終控制量。當輸出電流小于限流值時，限流環飽和，電壓環起到控制作用，電源工作在恒壓模式。當輸出電流大于限流值時，限流環退出飽和，頂替電壓環起到控制作用，電源工作在限流模式。根據電源實時運行狀態，對限流環給定值進行調整，在不同工況下實現多模式限流控制。當輸出電壓高于UREF時采用恒功率限流；輸出電壓在UREF和UMIN之間采用恒流限流；輸出電壓小于UMIN采用折返式限流控制。

圖6 恒壓限流控制策略示意圖

4 實驗驗證

在一臺650 VDC輸入，160 VDC／20 A輸出的樣機上實驗驗證。圖7所示為STM32F105輸出的兩路互補帶死區的脈沖控制信號經過驅動電路處理后輸出的兩路開關管驅動信號波形，信號頻率和死區時間均符合設計要求。圖8所示為額定工況下，變壓器原邊電壓波形，波形穩定無異常震蕩，主電路工作正常。圖9所示為輸出電壓軟啟動波形，輸出電壓從0開始經2 s左右上升到160 V，上電過程平穩，無沖擊和超調。圖10所示為電源動態性能測試波形，突加、突減80%負載，輸出電壓超調量為1．2 V，恢復時間小于10 ms。

圖7 驅動信號波形

圖8 變壓器原邊電壓波形

圖9 輸出軟啟動波形

圖10 動態性能測試波形

5 結 論

本文提出一種基于STM32的數字控制LLC變換器，介紹了變換器系統的組成、單片機片上資源配置、控制程序流程和控制策略，詳細分析了驅動信號發生機制、多路ADC配置方法和恒壓限流控制策略。最后，在一臺160 V／20 A的樣機上對各項功能進行了驗證，實驗結果表明，基于STM32的數字控制方式穩定可靠，LLC電源能夠正常穩定工作，各項性能指標均符合預期。