基于STM32的数字控制LLC变换器研究

申宏伟，王建军，张昊东，谭文华，万志华

（北京航天发射技术研究所，北京100076）

0 引 言

开关电源通过几十年的发展，以其体积小、效率高等优点在大部分场合已经取代线性电源。早期的开关电源控制电路采用分立模拟器件，随着半导体技术的发展出现了集成模拟控制芯片配合外围电路的控制方式，后来又逐渐发展出模拟集成控制加数字监控的半数字控制方式。而近年来以单片机、DSP等为控制核心的全数字控制方式已经成为开关电源的一个重要发展方向。数字控制相对于模拟控制具有可靠性高，灵活性强，环境敏感度低，受温度、器件老化的影响小，可以通过编程实现模拟控制无法实现的复杂算法，可实现故障自诊断、通信、控制等功能，智能化程度高等优点。此外，数字控制的电源在形成系列化时具有显著优势，其控制部分的电路可以保持不变实现通用，只需要修改单片机中的程序即可。而随着单片机技术的发展，其运算速度越来越快，外设功能越来越强，各种通信接口也越来越丰富，以前限制数字电源产品化的问题，如PWM信号频率、分辨率，AD转换速度、分辨率，运算速度等都在不同程度上得到了解决。目前市面上已经有大量的高性能单片机可以满足数字电源的应用需求［1，2］。

LLC谐振变换拓扑是目前比较流行的一种电源主功率变换电路结构，该拓扑通过谐振腔元件的谐振作用，可以实现变压器原边侧开关管的零电压开通和副边整流二极管的零电流关断，从而显著降低开关损耗，具有体积小、效率高的优点，广泛应用于新能源电能变换、电池充电机等领域［3］。相对于以移相全桥软开关变换器为代表的传统PWM型变换器，LLC变换器的控制方式有较大差异。LLC变换器采用PFM控制方式，即脉冲宽度保持不变，占空比恒定为0．5，通过控制开关频率，改变谐振元件的阻抗，进而调节输出电压。因此在设计LLC变换器的控制系统时，传统PWM变换器的许多设计方法和经验将不再适用。LLC变换拓扑的固有特性使得其对工作状态和元件参数相对敏感，因此需要相对复杂的控制算法才能在保证不同工况和参数容差范围内稳定工作的前提下，提高其动态响应性能。而数字控制方式的灵活性和可实现复杂算法的特性使其应用在LLC变换器控制时相对模拟控制方式具有明显优势［4，5］。

1 系统组成

数字控制LLC变换器系统框图如图1所示，包括主电路和控制电路两部分。主功率变换电路采用半桥LLC谐振变换拓扑。Q1和Q2为半桥的两个功率开关管，D1和D2为功率开关管的寄生二极管，Cds1和Cds2包含开关管的寄生结电容和外加吸收电容，通过Q1和Q2的开关动作，将在半桥桥臂中点输出占空比为0．5的方波电压。Cr为谐振电容，Lr为串联谐振电感，Lp为并联谐振电感，Cr、Lr和Lp组成谐振腔。Dr1和Dr2为副边整流二极管，C1为输出滤波电容，Dr1、Dr2和C1组成整流滤波网络将交流方波电压整流滤波成为平稳的直流输出电压。

图1 数字控制LLC变换器系统框图

控制电路中控制核心为STM32F105单片机，通过其上运行的控制程序实现变换器系统的控制。电压、电流、温度传感器分别将各自采集的模拟量转换为0～3．3 V的电压信号提供给单片机的AD口，驱动电路将单片机输出的脉冲控制信号经隔离放大后产生两路互补驱动信号驱动主电路开关管工作。铁电存储器作为单片机的外部扩展存储器，可以存储电源运行信息和参数配置信息。CAN收发器用于实现电源与外部进行总线通信。辅助电源为控制电路中的各部件提供工作电源。

2 单片机片上外设配置

控制核心为意法半导体公司生产的Cortex－M3内核的STM32F105单片机。该款单片机采用精简指令集，主频最高可达72 MHz，具有丰富的外设资源，可以满足数字电源应用所需的高速计算、AD转换、脉冲控制信号产生、总线通信等功能。

单片机的片上资源配置如图2所示，外部8 M无源晶振通过锁相环倍频产生72 M系统时钟再通过各级预分频从而产生驱动相应外设的时钟信号。内部40 kHz低速时钟驱动独立看门狗模块IWDG，作为内部安全机制，在软件特定部位放置喂狗语句。当程序执行异常，不能及时执行喂狗语句时，独立看门狗模块可对系统进行复位。SYSTICK时钟用来实现主程序循环任务调度的计时和中断程序的触发。设置4个GPIO端口用来采集开关量实现地址识别功能。USART1提供串口烧写功能，SPI接口用来扩展外部存储空间，bxCAN模块提供两路CAN通信接口。

高级定时器TIM1产生两路互补导通带死区时间并且频率可调制的脉冲控制信号用来驱动开关管通断，控制信号产生原理如图3所示。

图2 单片机片上资源配置

图3 带死区的互补控制信号产生原理示意图

TIM1工作于向上计数模式，每个计数周期里，TIM1＿CNT从0开始递增，增大到TIM1＿ARR中的值为止，然后再从0开始进入下一个周期。当TIM1＿CNT中的值小于TIM1＿CRR中的值时，OCR1REF输出无效电平；反之，OCR1REF输出有效电平。输出信号OC1与OC1REF同相，OC1N与OC1REF反相，从而实现互补输出。脉冲控制信号的频率由TIM1＿ARR中的值决定，占空比由TIM1＿CCR中的值和TIM1＿ARR中的值共同决定。令TIM1＿CCR中的值始终为TIM1＿ARR中值的一半，通过改变TIM1＿ARR中的值即可产生频率可调、占空比恒定为0．5的两路互补脉冲控制信号。通过配置相关寄存器则可以在两路互补信号中插入死区时间，即OC1的上升沿相对OC1REF的上升沿延迟一个死区时间，OC1N的上升沿相对于OC1N的下降沿延迟一个死区时间，死区时间大小可以配置。

通用定时器TIM2工作于从模式，由TIM1触发开启定时，并用比较事件CC2启动ADC2规则组转换，该组只包含输出电压一路模拟量，其启动触发时序如图4所示。t1时刻TIM1比较事件触发TIM2开始计时，t2时刻TIM2比较事件触发ADC2规则组开始转换，t4时刻转换完成。ADC1规则组包含辅助源电压、输出电流1、输出电流2三路模拟量，采用连续扫描模式，并使用DMA功能。ADC1注入组包含线缆压降采样、输出过压保护电压采样、温度采样2和温度采样3四路模拟量，采用连续扫描模式，通过在主循环中通过软件循环启动转换。

图4 ADC2规则组启动触发时序图

3 控制程序设计

电源系统控制程序包括一个主程序和一个中断程序。程序流程如图5所示。

图5 程序流程图

主程序中通过SYSTICK时钟计时来进行时间片的分配，分时执行各个任务，实现任务调度。主循环中共有4个常规任务，分别为保护任务、软启动任务、电压设定任务和CAN通信任务。保护任务中实现输入过压保护、输入欠压保护、过温保护、辅助源电压异常保护、限流环给定值计算和启动ADC1注入组转换等功能。软启动功能实现电源开机或故障恢复重启后，控制输出缓启，避免冲击。电压设定功能中根据实时运行状态计算出电压环给定值，用以实现并联均流和线缆压降补偿等扩展功能。

中断程序由TIM1触发中断，中断中执行电压环和限流环计算。电源采用如图6所示恒压限流控制策略。电压环和限流环为并联关系，二者计算结果进行比较，取二者中的较小值作为最终控制量。当输出电流小于限流值时，限流环饱和，电压环起到控制作用，电源工作在恒压模式。当输出电流大于限流值时，限流环退出饱和，顶替电压环起到控制作用，电源工作在限流模式。根据电源实时运行状态，对限流环给定值进行调整，在不同工况下实现多模式限流控制。当输出电压高于UREF时采用恒功率限流；输出电压在UREF和UMIN之间采用恒流限流；输出电压小于UMIN采用折返式限流控制。

图6 恒压限流控制策略示意图

4 实验验证

在一台650 VDC输入，160 VDC／20 A输出的样机上实验验证。图7所示为STM32F105输出的两路互补带死区的脉冲控制信号经过驱动电路处理后输出的两路开关管驱动信号波形，信号频率和死区时间均符合设计要求。图8所示为额定工况下，变压器原边电压波形，波形稳定无异常震荡，主电路工作正常。图9所示为输出电压软启动波形，输出电压从0开始经2 s左右上升到160 V，上电过程平稳，无冲击和超调。图10所示为电源动态性能测试波形，突加、突减80%负载，输出电压超调量为1．2 V，恢复时间小于10 ms。

图7 驱动信号波形

图8 变压器原边电压波形

图9 输出软启动波形

图10 动态性能测试波形

5 结 论

本文提出一种基于STM32的数字控制LLC变换器，介绍了变换器系统的组成、单片机片上资源配置、控制程序流程和控制策略，详细分析了驱动信号发生机制、多路ADC配置方法和恒压限流控制策略。最后，在一台160 V／20 A的样机上对各项功能进行了验证，实验结果表明，基于STM32的数字控制方式稳定可靠，LLC电源能够正常稳定工作，各项性能指标均符合预期。