数字控制DC-DC变换器轻载效率的研究

数字控制DC/DC变换器轻载效率的研究

摘要：针对传统模拟电源在轻载时损耗较大、效率较低的缺陷，提出一种基于DSP 控制的高效率数字电源设计方案，即Burst模式控制策略，可有效改变轻载模式下的开关频率，使LLC半桥谐振变换器实现软开关并减少开断损耗。实验结果表明，该种变换器在小于5%额定负载时效率能达到87%以上，在5%～20%额定负载时能够保持93%及以上的效率，证明提出的Burst控制策略能够提高轻载效率。

关键词：数字电源；LLC半桥谐振；轻载；数字信号处理器（DSP）；效率

0 引言

近年来,随着服务器电源和个人计算机电源对可靠性和稳定性[1-2]的要求,传统模拟电源不能满足要求，因其在轻载时效率较低，往往要增加辅助电路，增加了控制电路的复杂性，降低了电源的可靠性和稳定性，效率也随之减少[3]。因此，数字控制电源被广泛应用，其集成度已达到很高水平，轻载效率较模拟电源有很大改善和提高[4-5]。

如今，LLC谐振变换器因其具有自然软开关特性，被作为数字电源的拓扑结构进行了分析与设计。文献[6，7]和文献[8，9]分别提出的LLC谐振变换器PWM和PFM控制策略都没有对轻载模式状态进行研究，并未实现真正意义上的高轻载效率。本文研究的数字控制谐振变换器，提出了一种基于DSP控制的Burst模式控制策略，即轻载时使开关频率逐渐减小，开关周期次数减少，开关损耗减小，从而得到较高效率。最后，通过一台350 W的实验样机验证了所提控制方法的正确性和有效性[7-9]。

1 LLC谐振变换器工作原理

1.1 变换器重载及轻载工作原理

图1是本文设计的基于TMS320F2812的高轻载效率的数字DC/DC变换器的硬件结构图。

通常使变换器工作在fr1<f<fr2频率范围内，通过控制半桥LLC谐振电路中Q1、Q2的占空比控制能量传输，调节电压输出。当谐振变换器带重载（20%～100%额定负载），由图2可知iLr和iLm之间能量之差较大，此能量通过T1向副边传输；当谐振变换器带轻载(20%额定负载下)，由图3可知iLr和iLm之间的能量之差相比于带重载时较小，所以向副边传输的能量变少[10-11]，而变换器工作状态受直流增益的影响，影响直流增益的参数有比例系数k、串联谐振品质因数Q、变压器匝比n等[12]。

1.2 采用Burst模式控制原理

图4是Burst模式的工作原理图，其中Tburst是变换器进入Burst模式的工作周期，Ton 是两个主功率开关管导通时间，Toff是开关管关断时间。当变换器工作于轻载模式下，主程序进入Burst模式，并且变换器进入间歇式工作，两个MOSFET功率开关管在Toff时都处于关闭状态。随着负载进一步减小，会减小平均开关频率，开关周期次数减小，损耗减少，达到提高效率的目的。

2 LLC谐振变换器Burst模式控制策略

2.1 硬件设计策略

系统硬件结构。通过采样电路以及A/D转换器将3路信号(变压器初级侧电流Ip、输出电流Io以及输出电压Uo)采样并送入DSP2812，INA1、INA2、INA3端口分别对Ip、Uo和Io 采样。DSP内部的PWM1、PWM2端口输出死区固定、占空比大小固定的驱动信号，通过驱动电

路来驱动主功率开关管Q1、Q2。

本文所设计的变换器的系统参数如下：额定输入电压Vin=400 V，额定输出功率350 W，输出电压24 V，输出电流15 A，开关频率100 kHz，变压器变比41：6，谐振电感Lr=60 μH，谐振电容Cr=42 nF，励磁电感Lm=180 μH。主功率开关管采用STP12NM50(550 V，12 A)，驱动芯片采用UCC27424DGN。

2.2 控制电路设计策略

本文的DC/DC谐振变换器采用双环控制，，主程序中首先进行系统配置及初始化，然后初始化ADC、PWM及PID控制模块参数，并且在等待中断的时间内采集输出电压，如果发生ADC 中断则进入相应的流程[15-16]。

本设计中CPU时钟频率设为40 MHz，ADC模块每20 ms采样一次。数字PID运算都在ADC 中断调用执行，得到的输出控制量U(k)经限幅后赋给比较单元寄存器(TXCMPR，X=3、4)中，即在程序中加入下面语句实现在线调整PWM波占空比：

T3CMPR=CMAX-Uk；

T4CMPR=Uk；

其中CMAX为定时器计数最大值，Uk为PID控制器第K次输出。本设计在轻载情况下，采用Burst模式控制改变PWM占空比，隔断工作周期，形成无效周期，使得开关频率减小，达到降低开断损耗、提高效率的目的。

3 实验与分析

本文为了验证设计的合理性，首先利用参数对电路进行仿真，仿真实验以Saber为平台，对半桥谐振电路轻载和空载情况进行研究分析。主要实验参数设计如下：谐振电感Lr=60 μH，谐振电容Cr=42 nF，励磁电感Lm=180 μH。变压器变比n=41：6，开关频率fs=100 kHz，死区时间tdead=200 ns。

空载是谐振半桥电路工作时比轻载更恶劣的一种情况，在此状态下，由图7波形可知此谐振变换器能够实现ZVS，并且在空载时iLr和iLm之差较稳定，原边能向副边稳定传输能量，并且输出电压基本达到24 V，说明参数设计较合理，能够实现谐振，实现软开关，仿真电路工作正常。本文设计了一款额定功率为350 W左右的试验样机。

图8为Q2零电压开通时各极间电压。实验表明，此半桥谐振变换器能够在轻载情况下实现原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断，零电压的开通和零电流的关断有效减小了开通关断时的损耗，有助于变换器效率的提高。

图9将在轻载情况下没有经过Burst模式控制的变换器和经过Burst模式控制的变换器作比较，可以发现，在低于5%额定负载的情况下效率达到87%以上，在5%～20%额定负载的情况下效率达到93%以上，远高于不经Burst模式控制的变换器的轻载效率。原因在于数字控制的LLC谐振变换器在轻载时也能够实现软开关技术，而且不存在PWM变换器中二极管中的反向恢复电流问题，所以二极管的耐压降低，极大地降低了开关管的开断损耗。

4 结论

本文对谐振变换器轻载效率进行了研究，提出了一种基于DSP的数字控制策略，能够有效控制开关管的占空比，使开关频率逐渐减小，开关周期次数减少，开关损耗减小，从而在轻载时得到较高效率。仿真和实验结果表明，轻载情况下该Burst模式控制下的拓扑结构简单易控，大大降低了开断损耗，能够较好地实现零电压开通，可以被广泛用在机站电源和特种电源中等，具有很好的应用前景。