本文探討如何利用半橋式無引腳晶片載體（LCC）諧振轉換器的數位控制功能，搭配同步整流，來打造300W電源供應器。數位控制的優勢在於程式設計上的彈性，能迅速針對任何狀況調整作業點的參數，而無須再調整硬體。

近年來諧振轉換器越來越受歡迎，被廣泛使用於伺服器、電信、照明和消費性電子等各種應用。諧振轉換器最吸引人的關鍵特色之一就是容易達成高效率，且柔性切換（soft switching）的範圍原本就大，適合高頻率作業。本文將探討如何利用半橋式無引腳晶片載體（LCC）諧振轉換器的數位控制功能，搭配同步整流，來打造300W電源供應器。

圖1中STEVAL–LLL009V1是一款數位控制的300W電源供應器。它的一次側是由功率因數校正（Power Factor Correction；PFC）和直流對直流功率級所組成（半橋式LCC諧振轉換器），二次側則有同步整流和STM32F334微控制器。直流對直流功率級（半橋式LCC諧振轉換器）和輸出同步整流是利用STM32F334微控制器進行數位控制，而功率因數校正（PFC）階段則是用L6562ATD以轉換模式運作。

圖1 : STEVAL-LLL009V1評估套件

還有評估套件，可依照需求在恆定電壓（Constant Voltage；CV）或恆定電流（Constant Current；CC）模式下運作。加上板載快速的保護電路，卻保能提供所有必要的保護功能且極度可靠。開發出來的這款評估套件，其效能已經過交流幹線評估，範圍從（270-480V）涵蓋整個負載範圍。電力品質參數在諧波標準IEC 61000-3-2容許極限範圍內，適合通用型交流幹線。

數位控制的優勢

我們建議的解決方案是採用數位轉換控制的方法，而非以類比IC為主的標準化設計。數位控制最主要優勢在於程式設計上的彈性，能迅速針對任何狀況調整作業點的參數，而無須在調整硬體，但類比控制只能調整特定範圍。

調光方式（數位或類比）、調光控制（0-10V、無線通訊）、調光解析度、溫度監測、各種保護及通訊功能等先進功能，成本效率往往高出許多，這是因為它們只要單一IC即可建置，且相較於類比控制，使用數位技術比較容易建置。

除此之外，針對雜訊狀況，數位控制保證能提供優於類比的穩定度：對零件的容許偏差、溫度變化和電壓漂移，數位控制解決方案都相較不敏感。

系統概要

STEVAL-LLL009V1評估套件將270-480V的交流幹線輸入電壓，在恆定電壓（CV）模式下轉換為48V直流、6.25 A最大電流，恆定電流（CC）模式下則可提供6.25 A電流，輸出電壓從36到48V。使用裝在主要配電盤上的SW1切換開關，評估套件即可配置為CV或CC模式，

直流對直流功率級指主要接地，微控制器則為次級接地。因為有STGAP2DM電流隔離半橋閘極驅動器，能利用來自微控制器的控制訊號，驅動直流對直流功率級的金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。

圖2為STEVAL-LLL009V1評估套件的原理方塊圖，上面所嵌入的拓撲和零件會用在不同部分。

圖2 : STEVAL-LLL009V1評估套件的原理方塊圖

評估套件上佈建了0-10V輸入，以控制LED亮度。0-10V的調光控制，只有在評估套件處於恆定電流模式下時才適用。類比調光建置於STEVAL-LLL009V1評估套件，電流解析度為1%。

透過一個擁有隔離放大器的子卡，就能達到感測PFC輸出電壓的目的，而這也是直流對直流功率級的輸入電壓。

PFC階段是利用MDmesh K5 Power MOSFET，而LCC轉換器的半橋則採用MDmeshTM DK5 Power MOSFET以提高效率表現。二次側部署有STripFET F7 Power MOSFET進行同步整流（Synchronous Rectification；SR），以減少傳導損失。

評估套件配備有完整的安全佈建，例如開路、斷路、諧振電流保護、直流對直流功率級輸入低電壓和過量電壓保護。

主要和次要部分都配有離線式返馳電路，採用VIPer267KDTR能提供調整電壓到控制電路板、閘極驅動器IC和訊號調節電路。

實驗結果顯示在寬輸入電壓和負載狀態下，能提供高效率、接近1的功率因數，總諧波失真（THD）也比較低，這是拜ST功率產品效能之賜，以及使用32位元STM32F334微控制器所建置的控制策略。

LCC諧振轉換器

直流對直流功率級會將PFC輸出電壓轉換成期望的輸出電壓。還有各式各樣的拓撲可用於直流對直流轉換，尤其是無引腳層板載體（LLC）諧振轉換器和LCC諧振轉換器等。每種拓撲各有優缺點。像電池充電器、LED照明這樣的應用，隔離的直流對直流功率級可能會需要處理寬輸入或輸出電壓範圍。考量以上需求，半橋式LCC諧振拓撲便被建置在STEVAL-LLL009V1的直流對直流功率級，如圖3所示。

圖3 : 同步整流的半橋式LCC諧振階段

在STEVAL-LLL009V1裡，平行電容器Cp連接到變壓器的二次側。因此，同步整流的寄生電容和變壓器的漏電感會變成共振槽的一部分。

PFC輸出電壓為主要的儲能電容器充電，以便產生一個穩定的直流匯流排。半橋式配置MOSFET進行轉換，在接地和直流匯流排之間產生方形電壓波形。方形電壓則是用在電容器Cr、電容器Cp（位於二次側）、電感器Lr和隔離變壓器所組成的由LCC共振槽電路。

LCC諧振轉換器高電壓MOSFET／開關的半橋，是由50%脈波寬度調變（PWN）工作週期和適當的空檔時間所驅動。如圖4所示，因為接近正弦的共振槽電流一直落後電壓波形（電感區），在下次開機前的空檔時間裡，MOSFET輸出電容就有時間放電，達到零電壓切換（Zero Voltage Switching；ZVS）。PWN切換頻率控制則用來調整共振槽的電壓增益，讓轉換器維持在電感區。這讓整個運作範圍都能維持零電壓切換，減少切換損失。

圖4 : 100%負載下半橋式LCC階段的波形

我們使用了基諧波分析法（Fundamental Harmonic Analysis；FHA），來分析評估套件中半橋式LCC諧振轉換器的增益。

根據使用基諧波分析法，以及為STEVAL-LLL009V1評估套件中半橋式LCC諧振轉換器所選LCC參數而得出的增益方程式，增益與正規化頻率之間的圖形請見圖5。

圖5 : 半橋式LCC轉換器—增益vs正規化頻率

同步整流（SR）

如圖3所示，在變壓器的二次側，輸入電壓波形為全橋式配置裡的同步整流器所校正，且因輸出電容而趨於平滑化。同步整流階段是利用STM32F334進行數位控制。

還可感測同步整流（SR）階段的節點電壓（VDS_SR1和VDS_SR2），以驅動同步整流階段的MOSFET。接下來將說明，標示為VDS的MOSFET（洩流源電壓）感測及控制運算法。

感測網路是由一個快速二極體，和連結到微控制器（MCU）供應電壓的拉升電阻器所組成，如圖6所示。當同步整流MOSFET洩流源電壓高於微控制器Vcc，二極體會變成逆偏壓，感測到的電壓就會拉升到Vcc。當洩流源電壓低於Vcc，二極體會變成為正偏壓，感測到的電壓就相當於這裡的電壓，加上發生正偏移之二極體的電壓降。正偏壓期間的電流，則會受限於拉升電阻器。

圖6 : 同步整流VDS的感測技術

最初是同步整流MOSFET的內接二極體開始導電，感測到VDS。因為建置了VDS感測技術，當電壓（VDS）降到設定臨界值（Vthreshold_ON – OFF，由微控制器數位類比轉換器週邊所設定）以下，比較器輸出（下降邊緣）會觸發微控制器計時器週邊進入單脈非可觸發模式，如圖7所示。

圖7 : 同步整流數位控制運算法

MCU計時器週邊會向對應的同步整流閘極驅動器發出一個脈衝。這個脈衝會維持一段最低限度的時間（TON min）。

當電壓（Vthreshold_ON–OFF，由微控制器數位類比轉換器週邊所設定）增加到設定臨界值以上，比較器輸出（上升邊緣）會重新設定微控制器計時器週邊，同樣地脈衝就會停在相對應的同步整流閘極驅動器，如圖7所示。

微控制器持續監測直流對直流功率級（半橋式LCC）頻率和輸出電流。若電流因遲滯而超出設定臨界值，或輸出電流因遲滯低於設定臨界值，微控制器就會禁能閘極驅動器，進入同步整流階段。還好這個階段有MOSFET內接二極體可進行整流。當遲滯造成頻率低於設定臨界值，或遲滯造成輸出電流高於設定臨界值，就會致能同步整流閘極驅動器。

根據當時的直流對直流功率級（半橋式LCC）操作頻率，可以從微控制器裡儲存的查找表去調整臨界值（Vthreshold_ON – OFF）。

實驗結果

我們已經算出STEVAL-LLL009V1在不同負載下的整體效率、功率因數（PF）和總諧波失真（THD）。100%負載下的效率超過93.5%。圖8~11呈現的是評估套件在恆定電壓（CV）與恆定電流（CC）配置下的效能。

圖8 : 恆定電壓配置：各種負載下輸入電壓vs效率（%）

圖9 : 恆定電壓配置：各種負載下輸入電壓vs功率因數

圖10 : 恆定電壓配置：各種負載下輸入電壓vs總諧波失真

圖11 : 恆定電流配置：LED電壓降時輸入電壓vs效率

本文所介紹的數位控制電源供應器，能在恆定電壓（CV）或恆定電流（CC）模式下提供300W功率輸出。實驗結果顯示在寬輸入電壓和負載狀態下能提供高效率、接近1的功率因數，總諧波失真（THD）也比較低，這是拜ST功率產品效能之賜，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任職於意法半導體）