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采用LCC拓扑的二相输入300W交直流LED电源供应器
 

【作者: 意法半導體】2021年05月26日 星期三

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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
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
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
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
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
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
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
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
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)


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