解密小华两相交错全桥LLC参考设计，诠释数字能源控制器升级替代的奥秘
内容摘要本文介绍了基于小华HC32F334数字电源控制器的两相交错全桥LLC参考设计；着重介绍了HC32F334是如何通过自研高精度PWM发波模块的单次缓存功能、硬件自动置位全局缓存完成标志位和强制关断功能解决LLC变频应用中丢波、连波问题；以及如何通过便捷的延迟空闲功能有效缓解Burst模式下潜在的硬开关和产生可闻噪声的问题；最后概述了灵活的移相控制等功能是如何赋予参考设计优异的交错并联均流特性、快速的动态响应和故障保护能力……更多功能期待大家亲测品鉴。参考设计简介LLC变换器能在全负载范围内实现原边开关管的零电压开通（ZVS），在宽负载范围内实现副边整流管的零电流关断（ZCS），具有开关管开关损耗小，整流管无反向恢复损耗的优点，容易实现高效率，高功率密度，广泛应用于通信与服务器电源、砖块电源、微逆、充电桩DC/DC、光储户用和工商业双向DC/DC等行业。LLC变换器交错并联输出可以提高输出功率，降低输出电流纹波，从而减少输出电容的电流应力和容量，进而提高转换器的可靠性和稳定性，但是，由谐振腔元器件参数差异导致的电流不均衡是交错LLC变换器的控制难点。
小华半导体推出的基于HC32F334数字电源控制器的两相交错全桥LLC参考设计，出色的解决了交错并联均流问题、充分发挥了LLC拓扑的优势，其主要规格和性能优势如下图所示。
表1：两相交错LLC主要规格和性能优势
两相交错LLC系统框图如图1所示，其控制方式采用传统的输出电压电流双环竞争的PFM模式和轻载BURST模式，同时增加了两相谐振电流的均流环实现两相均流。
那么，小华HC32F334数字电源控制器是如何支持上述优异的性能呢？
图1：基于HC32F334的交错LLC系统控制框图
HC32F334对应用性能的支持● 优化的HRPWM发波方式有效解决丢波和连波问题
LLC是通过调整频率来获得不同的增益，如图2所示；而控制更新频率往往固定不变，因此LLC控制频率和开关频率不同步。已量产的不少控制器在应用于LLC变频控制时容易导致PWM发波丢波和连波，在此称之为丢波和连波问题。丢波不致命、但连波往往会造成炸机等事故，相信不少开发同事都深有体会。
图2：LLC输出增益曲线
丢波问题是指由于控制频率和开关频率不同步，导致寄存器更新不正确而造成波形异常的问题，有以下几种典型情形：
[*]情形1：周期更新正常，比较值更新不正常。出现占空比波形不为50%的情况，如图3所示；
[*]情形2：周期更新不正常，比较值更新正常。出现占空比波形不为50%的情况，或者出现PWM输出恒高/恒低的情况，看起来像是丢失了波形。如图4，5所示；
[*]情形3：周期、比较器更新均不正常。出现波形不同步问题。如图6所示。
图3：比较器缓存失败，导致占空比不是50%
图4：周期缓存失败造成丢波
图5：周期缓存失败造成占空比异常
图6：周期、比较值都缓存失败，波形不同步
连波问题是指在变频移相过程中，如果在缓存点时刻，PWM单元计数器的当前计数值大于新的比较值的情形下，会导致比较事件在当前周期内丢失，从而出现连波问题，如图7所示，由图示可知，该功能便捷有效地解决了连波问题。
图7：PWM连波问题
针对丢波问题，小华半导体HC32F334的HRPWM设计了单次缓存和全局缓存完成标志位的功能来解决丢波问题。
单次缓存是指：1）在三角波模式下对单元1单次缓存触发位（OSTBTRU1位）写1后，在其后遇到的第一个零点缓存传送点发生一次缓存；2）或在锯齿波模式下，对OSTBTRU1位写1后，在其后遇到的第一个周期缓存传送点发生一次缓存。单次缓存完成以后，硬件会自动将全局缓存完成标志位（GBSFLR）置1，完成缓存以后，不会再发生缓存，除非软件重新触发单次缓存，如图8、图9所示。
在更新影子寄存器之前先判断全局缓存完成标志、如果为1则表示前面的比较值和周期值得到有效更新，便可以更新新的比较值和周期值，更新完相关影子寄存器后再触发单次缓存；如果全局缓存完成标志不为1则表示前续比较值和周期值未得到有效更新，需等下一控制周期再判断执行、以免覆盖；相应的配置流程和示例程序如图9所示。
上述表明，HC32F334单次缓存和硬件自动置位全局缓存完成标志位功能确保了相关寄存器得到同步更新与避免覆盖，有效解决了丢波问题。
图8：HRWPM单次缓存功能示意图
图9：单次缓存流程图和具体实现代码示例
针对连波问题，小华HC32F334设计了强制关断功能（PHSFOCA/B强制低使能功能）。
强制关断功能，即在锯齿波模式下或三角波模式下，当强制低使能有效（即PHSFORCA/B位为1），计数器在单元1单次缓存传送点检测到当前计数值大于等于比较值寄存器（HRGCMCR/HRGCMDR）设定的值时，将输出PWMA/PWMB强制设置为低；当强制低使能无效时（即PHSFORCA/B位为0），对输出无影响，如图7所示。
● 完整周期的burst发波功能消除burst模式下潜在的硬开关、并减少可闻噪声
由如图2中LLC的增益曲线可知，在空载或者轻载的情况下，为控制恒定的输出电压，如果采用正常的环路控制往往需要很高的开关频率才能保持增益恒定，这样会增加开关损耗，导致系统的效率降低。同时，如果LLC变压器等的分布电容较大，LLC变换器工作在轻载或空载时，随着开关频率的进一步提高，变换器电压增益反而变大，从而使得输出电压不稳、甚至直接导致输出过压保护的现象（称为LLC增益失真问题）。
为了提高轻载效率和潜在分布电容造成的增益失真的影响，通常会引入间歇式控制模式、即BURST模式；但是在目前市场上已知的很多方案中，进入和退出BURST模式时由于PWM波形不完整导致谐振电容不能完整的充放电，这样在退出BURST模式时，有可能引起原边MOSFET管硬开关、甚至会损害原边MOSFET；同时，谐振腔电容电压由于封脉冲时刻的不确定性，导致开脉冲时谐振腔电压不确定，更容易产生可闻噪声，产生噪音的主要来源为变压器线圈受电流瞬态电磁力产生的形变和震动，当谐振腔电压较高时封锁脉冲，开脉冲时电流出现短暂严重不对称现象和不确定会加剧这一震动。
为了解决Burst模式下潜在的硬开关和产生可闻噪声的问题，小华HC32F334设计了延迟空闲功能，通过该功能可以便捷的设置使进入和退出BURST模式时发出完整的波形，如图10所示。
图10：HC32F334延迟空闲示意图
延迟空闲是指在关闭PWM时延迟PWM进入空闲状态，在该模式下，会在完整周期点（HRPWM<t>_GCONR1.PRDSEL中定义）检测到设置的空闲状态与内部PWM（PWMA<B>_<t>_PRE）输出状态一致时进入预设的空闲状态，从而保证进入空闲状态波形的完整性；退出时亦然，如图10所示。
对应的LLC参考设计实验波形如图11示，通过对比波形可以看到采用延迟空闲功能进入和退出burst模式时都能发出完整的波形，电流更加对称平滑、进出切换点确定，有效地缓解潜在的硬开关和产生可闻噪声的问题。
图11：驱动不对称对谐振腔电流和谐振电容的影响
此外，小华HC32F334还设计了空闲模式跟随功能，该功能可以解决对进出BURST模式有时序要求的场合（如采用半桥自举驱动时，要求先开下管驱动，再开上管驱动），如图12所示。
图中，B通道进入空闲的时刻发生在A通道进入后检测到PWM<B>_<t>_PRE发生翻转时进入，退出发生在B通道退出空闲后检测到PWM<B>_<t>_PRE发生翻转时退出。
图12：HC32F334 BM模式下的跟随功能示意图
● 优异的动态移相功能支持交错均流控制、无需额外硬件成本
交错并联LLC拓扑，由于器件自身的差异会导致谐振腔的谐振点有差异，从而导致电流分布不均、进而导致器件发热不均衡，甚至导致器件损坏。小华半导体LLC参考设计通过采样谐振腔电流，示例了如何应用芯片移相功能和软件算法解决均流问题，无需增加硬件成本。实验波形如下图13、14所示。
从测试波形可以看出，在开均流算法以后，谐振腔电流峰值相等。借用HC32F334的移相功能，LLC参考方案根据采样两相谐振腔电流的大小来调整原边的移相角从而实现对输出功率的调整、即调整系统的均流度。通过这种方式不需要额外的硬件电路，不增加硬件成本；验证了HC32F334灵活的移相功能可以支持不同场景下的移相应用需求、不仅限于固定相位的交错移相控制。
此外，HC32F334赋能系统方案优异的动态响应和负载调整率，输出电压纹波、满足严格的动态特性需求；快速的故障保护、确保系统稳定可靠……等等特性限于篇幅在此不再展开，后续关于HC32F334更多特性将陆续展开，同时小华参考方案也即将上架立创商城、欢迎大家关注、品鉴。
总 结随着通信和服务器电源，尤其是AI服务器电源对高效率、高功率密度的追求，LLC因其优异的ZVS、ZCS特性受到产业界的广泛采用。本文介绍了基于小华HC32F334数字电源控制器的两相交错全桥LLC参考设计；重点分析和介绍了HC32F334通过自研HRPWM模块设计的单次缓存功能、硬件自动置位全局缓存完成标志位和强制关断功能解决了目前不少数字电源控制器在LLC数字控制时常见的丢波和连问题，以及通过便捷的延迟空闲功能有效缓解Burst模式下潜在的硬开关和产生可闻噪声的问题；优异的动态移相功能支持交错均流控制、无需额外硬件成本；更多参考设计性能测试请参看附录测试简报。
上述参考设计验证了小华HC32F334从芯片层面保证稳态和动态过程中PWM发波的便捷性和可靠性，让用户使用起来更便捷、更安全！
更多信息欢迎关注小华官网数字电源产品和应用相关模块，您将发现整个芯片从系统论的角度强调性能之间的匹配、而非机械的突出单一模块性能——小华正诠释着数字能源控制器升级替代的奥秘！
附：关键性能测试简报
小华半导体有限公司（简称小华半导体）是中国电子信息产业集团有限公司旗下集成电路业务平台华大半导体有限公司的核心子公司。小华半导体以技术创新为动力，以客户满意为导向，以服务国家战略为使命，专注于解决高端工业与汽车电子两大产业核心需求，努力将自身打造成为国产高算力高精度工控MCU与高端汽车电子MCU的技术策源地，不断增强综合竞争实力，保持国产MCU行业第一梯队，力争成为行业第一，成为兼具战略支撑力和全球竞争力的中国MCU厂家。
往期精彩：
新品发布│面向数字电源应用的HC32F334开始批量供货 - 小华半导体有限公司HC32F334 - 小华半导体有限公司电源应用 - 小华半导体有限公司DC/DC电源：带同步整流的单路全桥LLC - 小华半导体有限公司 (xhsc.com.cn)DC/DC电源-两相交错全桥LLC - 小华半导体有限公司 (xhsc.com.cn)光伏微型逆变器 - 小华半导体有限公司AC/DC电源：两路交错无桥图腾柱TCM_PFC - 小华半导体有限公司小华半导体数字电源方案亮相慕尼黑电子展新品亮相、三城巡回！“2023年度小华半导体产品&技术交流会”圆满结束！HC32F334_HC32F334采购信息-立创电子元器件商城
核心科技硬实力。 解决了传统LLC变换器在变频应用中的诸多问题 交错并联均流怎么解决的啊
针对丢波和连波，小华的LLC方案更安全可靠，用户用起来更便捷。关注国产、使用国产，加油！ 值得借鉴的案例
页:
[1]