基于STM32的數(shù)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(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

0 引 言

開關(guān)電源通過幾十年的發(fā)展，以其體積小、效率高等優(yōu)點在大部分場合已經(jīng)取代線性電源。早期的開關(guān)電源控制電路采用分立模擬器件，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)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(fā)展出模擬集成控制加數(shù)字監(jiān)控的半數(shù)字控制方式。而近年來以單片機、DSP等為控制核心的全數(shù)字控制方式已經(jīng)成為開關(guān)電源的一個重要發(fā)展方向。數(shù)字控制相對于模擬控制具有可靠性高，靈活性強，環(huán)境敏感度低，受溫度、器件老化的影響小，可以通過編程實現(xiàn)模擬控制無法實現(xiàn)的復(fù)雜算法，可實現(xiàn)故障自診斷、通信、控制等功能，智能化程度高等優(yōu)點。此外，數(shù)字控制的電源在形成系列化時具有顯著優(yōu)勢，其控制部分的電路可以保持不變實現(xiàn)通用，只需要修改單片機中的程序即可。而隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，其運算速度越來越快，外設(shè)功能越來越強，各種通信接口也越來越豐富，以前限制數(shù)字電源產(chǎn)品化的問題，如PWM信號頻率、分辨率，AD轉(zhuǎn)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(jīng)有大量的高性能單片機可以滿足數(shù)字電源的應(yīng)用需求［1，2］。

LLC諧振變換拓?fù)涫悄壳氨容^流行的一種電源主功率變換電路結(jié)構(gòu)，該拓?fù)渫ㄟ^諧振腔元件的諧振作用，可以實現(xiàn)變壓器原邊側(cè)開關(guān)管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，從而顯著降低開關(guān)損耗，具有體積小、效率高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于新能源電能變換、電池充電機等領(lǐng)域［3］。相對于以移相全橋軟開關(guān)變換器為代表的傳統(tǒng)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(guān)頻率，改變諧振元件的阻抗，進而調(diào)節(jié)輸出電壓。因此在設(shè)計LLC變換器的控制系統(tǒng)時，傳統(tǒng)PWM變換器的許多設(shè)計方法和經(jīng)驗將不再適用。LLC變換拓?fù)涞墓逃刑匦允沟闷鋵ぷ鳡顟B(tài)和元件參數(shù)相對敏感，因此需要相對復(fù)雜的控制算法才能在保證不同工況和參數(shù)容差范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的前提下，提高其動態(tài)響應(yīng)性能。而數(shù)字控制方式的靈活性和可實現(xiàn)復(fù)雜算法的特性使其應(yīng)用在LLC變換器控制時相對模擬控制方式具有明顯優(yōu)勢［4，5］。

1 系統(tǒng)組成

數(shù)字控制LLC變換器系統(tǒng)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?fù)洹1和Q2為半橋的兩個功率開關(guān)管，D1和D2為功率開關(guān)管的寄生二極管，Cds1和Cds2包含開關(guān)管的寄生結(jié)電容和外加吸收電容，通過Q1和Q2的開關(guān)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(lián)諧振電感，Lp為并聯(lián)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(wǎng)絡(luò)將交流方波電壓整流濾波成為平穩(wěn)的直流輸出電壓。

圖1 數(shù)字控制LLC變換器系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)變換器系統(tǒng)的控制。電壓、電流、溫度傳感器分別將各自采集的模擬量轉(zhuǎn)換為0～3．3 V的電壓信號提供給單片機的AD口，驅(qū)動電路將單片機輸出的脈沖控制信號經(jīng)隔離放大后產(chǎn)生兩路互補驅(qū)動信號驅(qū)動主電路開關(guān)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(shù)配置信息。CAN收發(fā)器用于實現(xiàn)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(shè)配置

控制核心為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的Cortex－M3內(nèi)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(shè)資源，可以滿足數(shù)字電源應(yīng)用所需的高速計算、AD轉(zhuǎn)換、脈沖控制信號產(chǎn)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(huán)倍頻產(chǎn)生72 M系統(tǒng)時鐘再通過各級預(yù)分頻從而產(chǎn)生驅(qū)動相應(yīng)外設(shè)的時鐘信號。內(nèi)部40 kHz低速時鐘驅(qū)動獨立看門狗模塊IWDG，作為內(nèi)部安全機制，在軟件特定部位放置喂狗語句。當(dāng)程序執(zhí)行異常，不能及時執(zhí)行喂狗語句時，獨立看門狗模塊可對系統(tǒng)進行復(fù)位。SYSTICK時鐘用來實現(xiàn)主程序循環(huán)任務(wù)調(diào)度的計時和中斷程序的觸發(fā)。設(shè)置4個GPIO端口用來采集開關(guān)量實現(xiàn)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(chǎn)生兩路互補導(dǎo)通帶死區(qū)時間并且頻率可調(diào)制的脈沖控制信號用來驅(qū)動開關(guān)管通斷，控制信號產(chǎn)生原理如圖3所示。

圖2 單片機片上資源配置

圖3 帶死區(qū)的互補控制信號產(chǎn)生原理示意圖

TIM1工作于向上計數(shù)模式，每個計數(shù)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(dāng)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(xiàn)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(chǎn)生頻率可調(diào)、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(guān)寄存器則可以在兩路互補信號中插入死區(qū)時間，即OC1的上升沿相對OC1REF的上升沿延遲一個死區(qū)時間，OC1N的上升沿相對于OC1N的下降沿延遲一個死區(qū)時間，死區(qū)時間大小可以配置。

通用定時器TIM2工作于從模式，由TIM1觸發(fā)開啟定時，并用比較事件CC2啟動ADC2規(guī)則組轉(zhuǎn)換，該組只包含輸出電壓一路模擬量，其啟動觸發(fā)時序如圖4所示。t1時刻TIM1比較事件觸發(fā)TIM2開始計時，t2時刻TIM2比較事件觸發(fā)ADC2規(guī)則組開始轉(zhuǎn)換，t4時刻轉(zhuǎn)換完成。ADC1規(guī)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(xù)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(xù)掃描模式，通過在主循環(huán)中通過軟件循環(huán)啟動轉(zhuǎn)換。

圖4 ADC2規(guī)則組啟動觸發(fā)時序圖

3 控制程序設(shè)計

電源系統(tǒng)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(zhí)行各個任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。主循環(huán)中共有4個常規(guī)任務(wù)，分別為保護任務(wù)、軟啟動任務(wù)、電壓設(shè)定任務(wù)和CAN通信任務(wù)。保護任務(wù)中實現(xiàn)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(huán)給定值計算和啟動ADC1注入組轉(zhuǎn)換等功能。軟啟動功能實現(xiàn)電源開機或故障恢復(fù)重啟后，控制輸出緩啟，避免沖擊。電壓設(shè)定功能中根據(jù)實時運行狀態(tài)計算出電壓環(huán)給定值，用以實現(xiàn)并聯(lián)均流和線纜壓降補償?shù)葦U展功能。

中斷程序由TIM1觸發(fā)中斷，中斷中執(zhí)行電壓環(huán)和限流環(huán)計算。電源采用如圖6所示恒壓限流控制策略。電壓環(huán)和限流環(huán)為并聯(lián)關(guān)系，二者計算結(jié)果進行比較，取二者中的較小值作為最終控制量。當(dāng)輸出電流小于限流值時，限流環(huán)飽和，電壓環(huán)起到控制作用，電源工作在恒壓模式。當(dāng)輸出電流大于限流值時，限流環(huán)退出飽和，頂替電壓環(huán)起到控制作用，電源工作在限流模式。根據(jù)電源實時運行狀態(tài)，對限流環(huán)給定值進行調(diào)整，在不同工況下實現(xiàn)多模式限流控制。當(dāng)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(qū)的脈沖控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路處理后輸出的兩路開關(guān)管驅(qū)動信號波形，信號頻率和死區(qū)時間均符合設(shè)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(wěn)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(jīng)2 s左右上升到160 V，上電過程平穩(wěn)，無沖擊和超調(diào)。圖10所示為電源動態(tài)性能測試波形，突加、突減80%負(fù)載，輸出電壓超調(diào)量為1．2 V，恢復(fù)時間小于10 ms。

圖7 驅(qū)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(tài)性能測試波形

5 結(jié) 論

本文提出一種基于STM32的數(shù)字控制LLC變換器，介紹了變換器系統(tǒng)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(xì)分析了驅(qū)動信號發(fā)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(jié)果表明，基于STM32的數(shù)字控制方式穩(wěn)定可靠，LLC電源能夠正常穩(wěn)定工作，各項性能指標(biāo)均符合預(yù)期。