借助XMC1000實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振控制

本文介紹了準(zhǔn)諧振控制作為一項(xiàng)技術(shù)，相比于其他常規(guī)控制方法，可使傳統(tǒng)模式電源實(shí)現(xiàn)最高能效。本文還探討了如何使用英飛凌的XMC1000單片機(jī)家族來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。文中給出了代碼示例作為參考，以助力簡化和加快其實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)電源已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑S多設(shè)備的重要組件。過去，它們通常采用簡單電路來實(shí)現(xiàn)。隨著市場日益要求更小巧、更輕便、更高效的電源，多種控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以滿足這些要求。其中最受歡迎的控制技術(shù)之一名為“準(zhǔn)諧振控制”，亦稱“谷值開關(guān)”。

本應(yīng)用筆記就用戶如何使用XMC1000單片機(jī)家族來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振控制給予了提示和指導(dǎo)。

1.電源導(dǎo)通模式

開關(guān)電源的等級劃分依據(jù)是其向負(fù)載提供的輸出功率總量。假設(shè)某電源具備恒定輸出電壓，那么，其輸出電流應(yīng)與輸出功率成正比。取決于輸出電流幅值，可以在電源的磁性組件上觀察到三種截然不同的導(dǎo)通模式。圖1所示為由恒定脈寬調(diào)制（PWM）信號驅(qū)動(dòng)的升壓轉(zhuǎn)換器，以演示這些導(dǎo)通模式。本例假定升壓轉(zhuǎn)換器已到達(dá)其穩(wěn)定狀態(tài)。（英飛凌igbt廠家）

（1）連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）

有些轉(zhuǎn)換器經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可以永久地在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行。另一些轉(zhuǎn)換器則可在多種不同導(dǎo)通模式下運(yùn)行，并且當(dāng)向負(fù)載提供很高輸出功率（重負(fù)載條件）時(shí)，將切換至連續(xù)導(dǎo)通模式，其特征是電流持續(xù)流過磁性組件（通常是電感器或變壓器）。

MOSFET硬開關(guān)過程中損耗較高，因此，這種導(dǎo)通模式的能效相對較低。該仿真所示為升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

（2）臨界導(dǎo)通模式（CrCM）

臨界導(dǎo)通模式（CrCM），亦稱過度模式或邊界模式，在下一個(gè)開關(guān)周期開始之前，當(dāng)電感電流到達(dá)零時(shí)，即進(jìn)入臨界導(dǎo)通模式。向負(fù)載提供中等功率時(shí)，常常使用臨界導(dǎo)通模式。然而，有些轉(zhuǎn)換器經(jīng)專門設(shè)計(jì)，在各種負(fù)載條件下，均始終在臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)行。

MOSFET中的導(dǎo)通損耗有所降低，因此，這種導(dǎo)通模式的能效相對較高。該仿真所示為升壓轉(zhuǎn)換器在臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

一般而言，通過加裝零電流檢測（ZCD）電路，即可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)行模式，如圖1所示。零電流檢測電路能夠檢測出電感電流過零，可用于觸發(fā)下一個(gè)開關(guān)周期。在升壓PFC中，每個(gè)開關(guān)周期都使用恒定導(dǎo)通時(shí)間來迫使電感電流與輸入電壓的相位和波形相同。

（3）非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）

當(dāng)向負(fù)載提供的輸出功率很低（譬如輕負(fù)載） 時(shí)，即進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），其特征是電流斷斷續(xù)續(xù)流過磁性組件。有些轉(zhuǎn)換器經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可以永久地在非連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行，特別是低功率、低成本轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@種模式易于控制并且可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的瞬態(tài)性能。

非連續(xù)導(dǎo)通模式的特征是，在下一個(gè)開關(guān)周期開始之前，電感電流保持為零一段時(shí)間。非連續(xù)導(dǎo)通模式的實(shí)現(xiàn)通常采用恒頻開關(guān)和較小占空比，并且一般而言，下一個(gè)開關(guān)周期不以任何方式與漏源電壓（VDS）振蕩同步。

在升壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)電感電流到達(dá)零時(shí)，輸出二極管變?yōu)榉聪蚱?。這可防止當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓時(shí)，電流在反方向上流動(dòng)。此時(shí)，VDS恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，即到達(dá)輸入電壓。受MOSFET中的寄生電容和來自磁性組件的電感的影響，VDS在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)之前表現(xiàn)出欠阻尼振蕩。

類似于臨界導(dǎo)通模式，由于MOSFET中的開啟損耗有所降低，這種導(dǎo)通模式的能效相對較高。該仿真為升壓轉(zhuǎn)換器在非連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

一次性開關(guān)

突然開啟MOSFET時(shí)，可以清楚地觀察到MOSFET VDS的阻尼振蕩，如下圖所示。

在欠阻尼振蕩中，“波谷”和“波峰”隨時(shí)間的推移逐漸平緩，直到VDS恢復(fù)穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)。就升壓轉(zhuǎn)換器而言，穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)即輸入電壓VIN。該仿真為升壓轉(zhuǎn)換器的波形圖。

2.硬開關(guān)VS軟開關(guān)

第1節(jié)詳細(xì)介紹了電源的各類型導(dǎo)通模式——所有這些導(dǎo)通模式都假定為理想狀態(tài)。本小節(jié)考慮了開關(guān)過程中，各種組件的非理想狀態(tài)——這主要是受寄生電容和電感的影響；以及這樣的非理想狀態(tài)如何造成開關(guān)損耗。

（1）硬開關(guān)

鉗位感性負(fù)載應(yīng)用（如升壓轉(zhuǎn)換器）中用作開關(guān)元件并在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)，其導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)過程并非瞬時(shí)完成。有一個(gè)短暫瞬間，其VDS和ID相互重疊。這是開關(guān)損耗的主要源頭，它在很大程度上受MOSFET寄生電容的影響。

這種現(xiàn)象亦被稱為“硬開關(guān)”，每當(dāng)電源在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，因?yàn)樵陔姼须娏鞯竭_(dá)零之前，下一個(gè)開關(guān)周期便已開始。圖6所示為波形。VDS與ID之間的重疊區(qū)域表示開關(guān)損耗（PLOSS = VDS * ID），已高亮顯示。

（2）軟開關(guān)

a.零電壓開關(guān)（ZVS）

既然明白了開關(guān)損耗是如何產(chǎn)生的，那么，我們可以順理成章地想到，只要能在MOSFET VDS到達(dá)零時(shí)觸發(fā)下一個(gè)開關(guān)周期，就可以完全消除開關(guān)損耗。這樣的方法被稱為零電壓開關(guān)（ZVS），如下圖所示。

然而，諸如升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或反激式轉(zhuǎn)換器等標(biāo)準(zhǔn)電源拓?fù)錈o法實(shí)現(xiàn)零壓開關(guān)，因?yàn)槠銿DS收斂到輸入電壓。這種方法要求具備諸如LLC或LCC等諧振電路的專門的“諧振拓?fù)洹眮韺?shí)現(xiàn)零壓開關(guān)。

b.零電流開關(guān)（ZCS）

設(shè)計(jì)為在臨界導(dǎo)通模式或非連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換器中，在下一個(gè)開關(guān)周期開始之前，磁性組件中的電流將到達(dá)零。這被稱為零電流開關(guān)（ZCS），它可最大限度地縮小VDS與ID之間的重疊區(qū)域，從而降低開關(guān)損耗，盡管并未完全消除開關(guān)損耗。

與連續(xù)導(dǎo)通模式硬開關(guān)形成對比，零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)亦被稱為“軟開關(guān)”。

3.準(zhǔn)諧振開關(guān)

如前文所述，在所有標(biāo)準(zhǔn)電源拓?fù)洌ㄉ龎恨D(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器和反激式轉(zhuǎn)換器）中，每個(gè)開關(guān)周期結(jié)束后，VDS均收斂到輸入電壓。因此，MOSFET的漏源寄生電容（CDS）存儲(chǔ)了一些電荷，在下一個(gè)開關(guān)周期通過MOSFET釋放。這表現(xiàn)為MOSFET產(chǎn)生額外的瞬態(tài)漏極電流（ID）變大。

如果非連續(xù)導(dǎo)通模式電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)以恒定頻率工作，那么，下一個(gè)開關(guān)周期可能在任意波谷或波峰開始，因此開關(guān)損耗波動(dòng)顯著。如果下一個(gè)開關(guān)周期在波峰開始，則會(huì)加劇開關(guān)損耗，反之亦然；如果下一個(gè)開關(guān)周期在波谷開始，則可減少開關(guān)損耗。

通過在任意波谷中間觸發(fā)下一個(gè)開關(guān)周期，可使VDS保持在最低水平。假設(shè)相同量的漏極電流ID流過MOSFET，那么，比之常規(guī)硬開關(guān)，導(dǎo)通損耗（PLOSS = VDS * ID)）的相對量可大幅降低。圖8表明了這種狀態(tài)，導(dǎo)通損耗降低體現(xiàn)為曲線下方的重疊區(qū)域縮小。

有時(shí)候，如果輸出電壓與輸入電壓的差值較大，那么，當(dāng)下一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，VDS可能到達(dá)零值。這種情況下，導(dǎo)通損耗完全消除，實(shí)現(xiàn)類似于零電壓開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，這種方法被稱為“準(zhǔn)諧振開關(guān)”或“谷值開關(guān)”。

準(zhǔn)諧振開關(guān)始終在非連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行，要求使用零電流檢測（ZCD）電路來迫使下一個(gè)開關(guān)周期在最低VDS（即，波谷）開始。

準(zhǔn)諧振導(dǎo)通模式可以最大限度地降低MOSFET的開啟損耗，從而實(shí)現(xiàn)最高能效。該仿真為升壓轉(zhuǎn)換器在準(zhǔn)諧振導(dǎo)通模式下運(yùn)行的狀態(tài)。

谷值跳躍

在采用升壓轉(zhuǎn)換器或反激式轉(zhuǎn)換器的交流/直流功率因數(shù)校正應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)具備恒定導(dǎo)通時(shí)間的準(zhǔn)諧振開關(guān)。這種方法的效果和臨界導(dǎo)通模式一樣。

隨著PFC負(fù)荷降低，導(dǎo)通時(shí)間將相應(yīng)地縮短，以維持恒定的輸出電壓。這樣一來，PFC的平均開關(guān)頻率就會(huì)提高。盡管準(zhǔn)諧振模式可以大幅降低開關(guān)損耗，但開關(guān)損耗仍會(huì)隨開關(guān)頻率的提高而再次增加。此外，電磁干擾（EMI）亦會(huì)加劇。

為了緩解這個(gè)問題，可以通過在后繼波谷觸發(fā)下一個(gè)開關(guān)周期來降低開關(guān)頻率。這種方法被稱為“谷值跳躍”，它可在低負(fù)荷條件下降低開關(guān)損耗，同時(shí)將EMI維持在可接受的水平。

下圖所示為谷值跳躍，MOSFET接通在第二個(gè)波谷執(zhí)行。

谷值跳躍可以降低開關(guān)頻率，而不影響能效。該仿真為升壓轉(zhuǎn)換器在準(zhǔn)諧振導(dǎo)通模式下運(yùn)行的狀態(tài)，它每隔一個(gè)波谷接通MOSFET。

4.借助英飛凌設(shè)計(jì)工具執(zhí)行電路仿真

Infineon Designer是業(yè)界首個(gè)兼具模擬和數(shù)字電路仿真功能的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)工具，它基于SPICE，具有強(qiáng)大的仿真引擎。Infineon Designer有助于工程師輕松仿真和修改電路，從而評估應(yīng)用電路及英飛凌產(chǎn)品，最終通過仿真優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。