借助XMC1000实现准谐振控制

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本文介绍了准谐振控制作为一项技术，相比于其他常规控制方法，可使传统模式电源实现最高能效。本文还探讨了如何使用英飞凌的XMC1000单片机家族来实现这项技术。文中给出了代码示例作为参考，以助力简化和加快其实现。

开关电源已经成为人们日常生活中使用的许多设备的重要组件。过去，它们通常采用简单电路来实现。随着市场日益要求更小巧、更轻便、更高效的电源，多种控制技术应运而生，以满足这些要求。其中最受欢迎的控制技术之一名为“准谐振控制”，亦称“谷值开关”。

本应用笔记就用户如何使用XMC1000单片机家族来实现准谐振控制给予了提示和指导。

1.电源导通模式

开关电源的等级划分依据是其向负载提供的输出功率总量。假设某电源具备恒定输出电压，那么，其输出电流应与输出功率成正比。取决于输出电流幅值，可以在电源的磁性组件上观察到三种截然不同的导通模式。图1所示为由恒定脉宽调制（PWM）信号驱动的升压转换器，以演示这些导通模式。本例假定升压转换器已到达其稳定状态。

（1）连续导通模式（CCM）

有些转换器经专门设计，可以永久地在连续导通模式（CCM）下运行。另一些转换器则可在多种不同导通模式下运行，并且当向负载提供很高输出功率（重负载条件）时，将切换至连续导通模式，其特征是电流持续流过磁性组件（通常是电感器或变压器）。

MOSFET硬开关过程中损耗较高，因此，这种导通模式的能效相对较低。该仿真所示为升压转换器在连续导通模式下运行时的状态。

（2）临界导通模式（CrCM）

临界导通模式（CrCM），亦称过度模式或边界模式，在下一个开关周期开始之前，当电感电流到达零时，即进入临界导通模式。向负载提供中等功率时，常常使用临界导通模式。然而，有些转换器经专门设计，在各种负载条件下，均始终在临界导通模式下运行。

MOSFET中的导通损耗有所降低，因此，这种导通模式的能效相对较高。该仿真所示为升压转换器在临界导通模式下运行时的状态。

一般而言，通过加装零电流检测（ZCD）电路，即可实现这种运行模式，如图1所示。零电流检测电路能够检测出电感电流过零，可用于触发下一个开关周期。在升压PFC中，每个开关周期都使用恒定导通时间来迫使电感电流与输入电压的相位和波形相同。

（3）非连续导通模式（DCM）

当向负载提供的输出功率很低（譬如轻负载） 时，即进入非连续导通模式（DCM），其特征是电流断断续续流过磁性组件。有些转换器经专门设计，可以永久地在非连续导通模式下运行，特别是低功率、低成本转换器，因为这种模式易于控制并且可以实现优良的瞬态性能。

非连续导通模式的特征是，在下一个开关周期开始之前，电感电流保持为零一段时间。非连续导通模式的实现通常采用恒频开关和较小占空比，并且一般而言，下一个开关周期不以任何方式与漏源电压（VDS）振荡同步。

在升压转换器中，当电感电流到达零时，输出二极管变为反向偏置。这可防止当输出电压高于输入电压时，电流在反方向上流动。此时，VDS恢复稳定状态，即到达输入电压。受MOSFET中的寄生电容和来自磁性组件的电感的影响，VDS在到达稳定状态之前表现出欠阻尼振荡。

类似于临界导通模式，由于MOSFET中的开启损耗有所降低，这种导通模式的能效相对较高。该仿真为升压转换器在非连续导通模式下运行时的状态。

一次性开关

突然开启MOSFET时，可以清楚地观察到MOSFET VDS的阻尼振荡，如下图所示。

在欠阻尼振荡中，“波谷”和“波峰”随时间的推移逐渐平缓，直到VDS恢复稳态平衡点。就升压转换器而言，稳态平衡点即输入电压VIN。该仿真为升压转换器的波形图。

2.硬开关VS软开关

第1节详细介绍了电源的各类型导通模式——所有这些导通模式都假定为理想状态。本小节考虑了开关过程中，各种组件的非理想状态——这主要是受寄生电容和电感的影响；以及这样的非理想状态如何造成开关损耗。

（1）硬开关

钳位感性负载应用（如升压转换器）中用作开关元件并在连续导通模式下运行时，其导通和关断开关过程并非瞬时完成。有一个短暂瞬间，其VDS和ID相互重叠。这是开关损耗的主要源头，它在很大程度上受MOSFET寄生电容的影响。

这种现象亦被称为“硬开关”，每当电源在连续导通模式下运行时，就会发生这种现象，因为在电感电流到达零之前，下一个开关周期便已开始。图6所示为波形。VDS与ID之间的重叠区域表示开关损耗（PLOSS = VDS * ID），已高亮显示。

（2）软开关

a.零电压开关（ZVS）

既然明白了开关损耗是如何产生的，那么，我们可以顺理成章地想到，只要能在MOSFET VDS到达零时触发下一个开关周期，就可以完全消除开关损耗。这样的方法被称为零电压开关（ZVS），如下图所示。

然而，诸如升压转换器、降压转换器或反激式转换器等标准电源拓扑无法实现零压开关，因为其VDS收敛到输入电压。这种方法要求具备诸如LLC或LCC等谐振电路的专门的“谐振拓扑”来实现零压开关。

b.零电流开关（ZCS）

设计为在临界导通模式或非连续导通模式下运行的电源转换器中，在下一个开关周期开始之前，磁性组件中的电流将到达零。这被称为零电流开关（ZCS），它可最大限度地缩小VDS与ID之间的重叠区域，从而降低开关损耗，尽管并未完全消除开关损耗。

与连续导通模式硬开关形成对比，零电压开关和零电流开关亦被称为“软开关”。

3.准谐振开关

如前文所述，在所有标准电源拓扑（升压转换器、降压转换器和反激式转换器）中，每个开关周期结束后，VDS均收敛到输入电压。因此，MOSFET的漏源寄生电容（CDS）存储了一些电荷，在下一个开关周期通过MOSFET释放。这表现为MOSFET产生额外的瞬态漏极电流（ID）变大。

如果非连续导通模式电源转换器开关以恒定频率工作，那么，下一个开关周期可能在任意波谷或波峰开始，因此开关损耗波动显著。如果下一个开关周期在波峰开始，则会加剧开关损耗，反之亦然；如果下一个开关周期在波谷开始，则可减少开关损耗。

通过在任意波谷中间触发下一个开关周期，可使VDS保持在最低水平。假设相同量的漏极电流ID流过MOSFET，那么，比之常规硬开关，导通损耗（PLOSS = VDS * ID)）的相对量可大幅降低。图8表明了这种状态，导通损耗降低体现为曲线下方的重叠区域缩小。

有时候，如果输出电压与输入电压的差值较大，那么，当下一个开关周期开始时，VDS可能到达零值。这种情况下，导通损耗完全消除，实现类似于零电压开关的运行状态。因此，这种方法被称为“准谐振开关”或“谷值开关”。

准谐振开关始终在非连续导通模式下运行，要求使用零电流检测（ZCD）电路来迫使下一个开关周期在最低VDS（即，波谷）开始。

准谐振导通模式可以最大限度地降低MOSFET的开启损耗，从而实现最高能效。该仿真为升压转换器在准谐振导通模式下运行的状态。

谷值跳跃

在采用升压转换器或反激式转换器的交流/直流功率因数校正应用中，可以实现具备恒定导通时间的准谐振开关。这种方法的效果和临界导通模式一样。

随着PFC负荷降低，导通时间将相应地缩短，以维持恒定的输出电压。这样一来，PFC的平均开关频率就会提高。尽管准谐振模式可以大幅降低开关损耗，但开关损耗仍会随开关频率的提高而再次增加。此外，电磁干扰（EMI）亦会加剧。

为了缓解这个问题，可以通过在后继波谷触发下一个开关周期来降低开关频率。这种方法被称为“谷值跳跃”，它可在低负荷条件下降低开关损耗，同时将EMI维持在可接受的水平。

下图所示为谷值跳跃，MOSFET接通在第二个波谷执行。

谷值跳跃可以降低开关频率，而不影响能效。该仿真为升压转换器在准谐振导通模式下运行的状态，它每隔一个波谷接通MOSFET。

4.借助英飞凌设计工具执行电路仿真

Infineon Designer是业界首个兼具模拟和数字电路仿真功能的互联网设计工具，它基于SPICE，具有强大的仿真引擎。Infineon Designer有助于工程师轻松仿真和修改电路，从而评估应用电路及英飞凌产品，最终通过仿真优化电路设计。