数位控制的优势在於程式设计上的弹性，能迅速针对任何状况调整作业点的叁数，而无须再调整硬体。本文探讨如何利用半桥式无引脚晶片载体（LCC）谐振转换器的数位控制功能，搭配同步整流，来打造300W电源供应器。

近年来谐振转换器越来越受欢迎，被广泛使用於伺服器、电信、照明和消费性电子等各种应用。谐振转换器最吸引人的关键特色之一就是容易达成高效率，且柔性切换（soft switching）的范围原本就大，适合高频率作业。本文将探讨如何利用半桥式无引脚晶片载体（LCC）谐振转换器的数位控制功能，搭配同步整流，来打造300W电源供应器。

图1中STEVAL－LLL009V1是一款数位控制的300W电源供应器。它的一次侧是由功率因数校正（Power Factor Correction；PFC）和直流对直流功率级所组成（半桥式LCC谐振转换器），二次侧则有同步整流和STM32F334微控制器。直流对直流功率级（半桥式LCC谐振转换器）和输出同步整流是利用STM32F334微控制器进行数位控制，而功率因数校正（PFC）阶段则是用L6562ATD以转换模式运作。

图1 : STEVAL-LLL009V1评估套件

还有评估套件，可依照需求在恒定电压（Constant Voltage；CV）或恒定电流（Constant Current；CC）模式下运作。加上板载快速的保护电路，却保能提供所有必要的保护功能且极度可靠。开发出来的这款评估套件，其效能已经过交流干线评估，范围从（270-480V）涵盖整个负载范围。电力品质叁数在谐波标准IEC 61000-3-2容许极限范围内，适合通用型交流干线。

数位控制的优势

我们建议的解决方案是采用数位转换控制的方法，而非以类比IC为主的标准化设计。数位控制最主要优势在於程式设计上的弹性，能迅速针对任何状况调整作业点的叁数，而无须在调整硬体，但类比控制只能调整特定范围。

调光方式（数位或类比）、调光控制（0-10V、无线通讯）、调光解析度、温度监测、各种保护及通讯功能等先进功能，成本效率往往高出许多，这是因为它们只要单一IC即可建置，且相较於类比控制，使用数位技术比较容易建置。

除此之外，针对杂讯状况，数位控制保证能提供优於类比的稳定度：对零件的容许偏差、温度变化和电压漂移，数位控制解决方案都相较不敏感。

系统概要

STEVAL-LLL009V1评估套件将270-480V的交流干线输入电压，在恒定电压（CV）模式下转换为48V直流、6.25 A最大电流，恒定电流（CC）模式下则可提供6.25 A电流，输出电压从36到48V。使用装在主要配电盘上的SW1切换开关，评估套件即可配置为CV或CC模式，

直流对直流功率级指主要接地，微控制器则为次级接地。因为有STGAP2DM电流隔离半桥闸极驱动器，能利用来自微控制器的控制讯号，驱动直流对直流功率级的金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）。

图2为STEVAL-LLL009V1评估套件的原理方块图，上面所嵌入的拓扑和零件会用在不同部分。

图2 : STEVAL-LLL009V1评估套件的原理方块图

评估套件上布建了0-10V输入，以控制LED亮度。0-10V的调光控制，只有在评估套件处於恒定电流模式下时才适用。类比调光建置於STEVAL-LLL009V1评估套件，电流解析度为1%。

透过一个拥有隔离放大器的子卡，就能达到感测PFC输出电压的目的，而这也是直流对直流功率级的输入电压。

PFC阶段是利用MDmesh K5 Power MOSFET，而LCC转换器的半桥则采用MDmeshTM DK5 Power MOSFET以提高效率表现。二次侧部署有STripFET F7 Power MOSFET进行同步整流（Synchronous Rectification；SR），以减少传导损失。

评估套件配备有完整的安全布建，例如开路、断路、谐振电流保护、直流对直流功率级输入低电压和过量电压保护。

主要和次要部分都配有离线式返驰电路，采用VIPer267KDTR能提供调整电压到控制电路板、闸极驱动器IC和讯号调节电路。

实验结果显示在宽输入电压和负载状态下，能提供高效率、接近1的功率因数，总谐波失真（THD）也比较低，这是拜ST功率产品效能之赐，以及使用32位元STM32F334微控制器所建置的控制策略。

LCC谐振转换器

直流对直流功率级会将PFC输出电压转换成期??的输出电压。还有各式各样的拓扑可用於直流对直流转换，尤其是无引脚层板载体（LLC）谐振转换器和LCC谐振转换器等。每种拓扑各有优缺点。像电池充电器、LED照明这样的应用，隔离的直流对直流功率级可能会需要处理宽输入或输出电压范围。考量以上需求，半桥式LCC谐振拓扑便被建置在STEVAL-LLL009V1的直流对直流功率级，如图3所示。

图3 : 同步整流的半桥式LCC谐振阶段

在STEVAL-LLL009V1里，平行电容器Cp连接到变压器的二次侧。因此，同步整流的寄生电容和变压器的漏电感会变成共振槽的一部分。

PFC输出电压为主要的储能电容器充电，以便产生一个稳定的直流汇流排。半桥式配置MOSFET进行转换，在接地和直流汇流排之间产生方形电压波形。方形电压则是用在电容器Cr、电容器Cp（位於二次侧）、电感器Lr和隔离变压器所组成的由LCC共振槽电路。

LCC谐振转换器高电压MOSFET／开关的半桥，是由50%脉波宽度调变（PWN）工作周期和适当的空档时间所驱动。如图4所示，因为接近正弦的共振槽电流一直落後电压波形（电感区），在下次开机前的空档时间里，MOSFET输出电容就有时间放电，达到零电压切换（Zero Voltage Switching；ZVS）。PWN切换频率控制则用来调整共振槽的电压增益，让转换器维持在电感区。这让整个运作范围都能维持零电压切换，减少切换损失。

图4 : 100%负载下半桥式LCC阶段的波形

我们使用了基谐波分析法（Fundamental Harmonic Analysis；FHA），来分析评估套件中半桥式LCC谐振转换器的增益。

根据使用基谐波分析法，以及为STEVAL-LLL009V1评估套件中半桥式LCC谐振转换器所选LCC叁数而得出的增益方程式，增益与正规化频率之间的图形请见图5。

图5 : 半桥式LCC转换器增益vs正规化频率

同步整流（SR）

如图3所示，在变压器的二次侧，输入电压波形为全桥式配置里的同步整流器所校正，且因输出电容而趋於平滑化。同步整流阶段是利用STM32F334进行数位控制。

还可感测同步整流（SR）阶段的节点电压（VDS_SR1和VDS_SR2），以驱动同步整流阶段的MOSFET。接下来将说明，标示为VDS的MOSFET（泄流源电压）感测及控制运算法。

感测网路是由一个快速二极体，和连结到微控制器（MCU）供应电压的拉升电阻器所组成，如图6所示。当同步整流MOSFET泄流源电压高於微控制器Vcc，二极体会变成逆偏压，感测到的电压就会拉升到Vcc。当泄流源电压低於Vcc，二极体会变成为正偏压，感测到的电压就相当於这里的电压，加上发生正偏移之二极体的电压降。正偏压期间的电流，则会受限於拉升电阻器。

图6 : 同步整流VDS的感测技术

最初是同步整流MOSFET的内接二极体开始导电，感测到VDS。因为建置了VDS感测技术，当电压（VDS）降到设定临界值（Vthreshold_ON － OFF，由微控制器数位类比转换器周边所设定）以下，比较器输出（下降边缘）会触发微控制器计时器周边进入单脉非可触发模式，如图7所示。

图7 : 同步整流数位控制运算法

MCU计时器周边会向对应的同步整流闸极驱动器发出一个脉冲。这个脉冲会维持一段最低限度的时间（TON min）。

当电压（Vthreshold_ON－OFF，由微控制器数位类比转换器周边所设定）增加到设定临界值以上，比较器输出（上升边缘）会重新设定微控制器计时器周边，同样地脉冲就会停在相对应的同步整流闸极驱动器，如图7所示。

微控制器持续监测直流对直流功率级（半桥式LCC）频率和输出电流。若电流因迟滞而超出设定临界值，或输出电流因迟滞低於设定临界值，微控制器就会禁能闸极驱动器，进入同步整流阶段。还好这个阶段有MOSFET内接二极体可进行整流。当迟滞造成频率低於设定临界值，或迟滞造成输出电流高於设定临界值，就会致能同步整流闸极驱动器。

根据当时的直流对直流功率级（半桥式LCC）操作频率，可以从微控制器里储存的查找表去调整临界值（Vthreshold_ON － OFF）。

实验结果

我们已经算出STEVAL-LLL009V1在不同负载下的整体效率、功率因数（PF）和总谐波失真（THD）。100%负载下的效率超过93.5%。图8~11呈现的是评估套件在恒定电压（CV）与恒定电流（CC）配置下的效能。

图8 : 恒定电压配置：各种负载下输入电压vs效率（%）

图9 : 恒定电压配置：各种负载下输入电压vs功率因数

图10 : 恒定电压配置：各种负载下输入电压vs总谐波失真

图11 : 恒定电流配置：LED电压降时输入电压vs效率

本文所介绍的数位控制电源供应器，能在恒定电压（CV）或恒定电流（CC）模式下提供300W功率输出。实验结果显示在宽输入电压和负载状态下能提供高效率、接近1的功率因数，总谐波失真（THD）也比较低，这是拜ST功率产品效能之赐，以及使用32位元STM32F334微控制器所建置的控制策略。

（本文作者 Akshat JAIN、Fabrizio DI FRANCO任职於意法半导体）