基于小華HC32F334的兩路交錯無橋圖騰柱TCM PFC參考設(shè)計

本文介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的兩路交錯無橋圖騰柱TCM_PFC參考設(shè)計：著重介紹了工頻過零點電流畸變控制、工頻過零點附近的邏輯處理、輕載效率和THD優(yōu)化、準(zhǔn)確負(fù)電流檢測與防干擾設(shè)計、變頻交錯功能實現(xiàn)、以及保護(hù)功能設(shè)計，更多功能期待大家親測品鑒。

1.參考設(shè)計簡介

隨著服務(wù)器計算需求的增長，特別是云計算和人工智能（AI）計算的興起，服務(wù)器CPU/GPU所需功率在大幅增加，服務(wù)器電源的功率預(yù)算已經(jīng)從21世紀(jì)初的200W至300W范圍，增加到現(xiàn)在的800W至2000W，并且未來可能進(jìn)一步增加到3000W/5500W甚至8000W以上?。為了滿足電子產(chǎn)品對高質(zhì)量電源的需求，同時，在行業(yè)頭部企業(yè)和節(jié)能減排宏觀趨勢的驅(qū)動下，服務(wù)器電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也將從當(dāng)前國內(nèi)普遍采用的CRPS2.2標(biāo)準(zhǔn)逐漸升級到M-CRPS標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)對掉電再恢復(fù)的沖擊電流、電網(wǎng)電流THD、PF值及功率密度等方面提出了更為嚴(yán)格的要求，THD新舊標(biāo)準(zhǔn)差異如圖1所示。

圖 1 M_CRPS/CRPS標(biāo)準(zhǔn)中THDi的要求

應(yīng)服務(wù)器電源高效、高功率密度的要求，圖騰柱PFC相比傳統(tǒng)二極管整流boost PFC每次能量傳輸少經(jīng)過一個開關(guān)管、更為高效，因而在服務(wù)器電源、通信電源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，圖騰柱PFC和傳統(tǒng)拓?fù)涞膶Ρ热鐖D2所示。

圖 2 傳統(tǒng)拓?fù)渑c圖騰柱拓?fù)鋵Ρ?/p>

為進(jìn)一步提升圖騰柱PFC的效率和功率密度，TCM模式相對于DCM、CCM、CRM模式優(yōu)勢明顯，如圖3所示，TCM模式有利于實現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS開通。在功率等級較高的情況下，單路 PFC 的輸入紋波電流很大，濾波器的體積也會相應(yīng)增大。為解決大功率場景中 PFC 電感和濾波器體積過大的問題，可采用多相（N相）交錯技術(shù)。采用該技術(shù)后，輸入電感電流頻率成倍增加，輸入濾波器差模部分所需的截止頻率也成倍增加，因此可極大地降低系統(tǒng)濾波器的體積，有利于功率密度提升。

圖 3 電感電流工作模式對比

基于上述考慮，小華半導(dǎo)體推出了基于HC32F334芯片的兩路交錯無橋圖騰柱TCM_PFC參考設(shè)計方案。系統(tǒng)具體控制框圖如圖4所示，方案采用互感器檢測正、負(fù)向電流實現(xiàn)整流管OCP保護(hù)以及續(xù)流管負(fù)電流關(guān)斷，同時實現(xiàn)交錯控制。圖5為滿載電流交錯以及主管實現(xiàn)ZVS的情況。圖6為參考方案的THD、PF值以及效率曲線。參考方案的THD與PF值指標(biāo)滿足更加嚴(yán)格的M_CRPS標(biāo)準(zhǔn)。

方案實現(xiàn)的主要要點與難點如下：

1、工頻過零點電流畸變控制；

2、工頻過零點附近的邏輯處理，包含：

a) 對調(diào)整流管與續(xù)流管的驅(qū)動脈沖；

b) 切換相應(yīng)的負(fù)電流檢測事件配置；

c) 切換相應(yīng)的OCP保護(hù)事件配置；

d) 更改相應(yīng)的消隱窗口配置；

e) 工頻過零點附近驅(qū)動關(guān)波邏輯；

3、輕載效率和THD優(yōu)化；

4、準(zhǔn)確負(fù)電流檢測與防干擾設(shè)計；

5、變頻交錯功能實現(xiàn)；

6、保護(hù)功能設(shè)計，介紹：

a) 電感電流的OCP保護(hù)；

b) 以及軟件防飽和保護(hù)；

圖 4 小華TCM_PFC系統(tǒng)控制框圖

圖 5 Vin>Vout/2下的ZVS實現(xiàn)以及電感電流交錯波形

圖 6 額定220V輸入下THD曲線(左軸)和PF值(右軸)以及不同輸入下的效率曲線

2.方案設(shè)計要點

2.1工頻過零點電流畸變控制

在工頻過零點附近，受續(xù)流管的反向恢復(fù)、采樣電路延時、驅(qū)動電路延時的影響，在負(fù)電流達(dá)到閾值后電感電流會繼續(xù)以的斜率上升一段時間（絕對值），導(dǎo)致實際關(guān)斷的負(fù)電流會比給定值大一些。然而，在工頻過零點附近輸入電壓瞬時值比較低，電感電流的上升斜率緩慢，會導(dǎo)致過零點附近的TON開出來的電流恢復(fù)不到負(fù)電流給定值以上。最終的結(jié)果是TON結(jié)束后，由于此刻母線電壓相對較高，電感電流會以比較大的斜率下降到負(fù)向OCP保護(hù)閾值處，使得工頻過零點電流出現(xiàn)尖刺。因此，在電感電流恢復(fù)到給定值以上之前的時間要防止開通續(xù)流管，同時要保證主管的脈沖在TON結(jié)束后能夠重新開啟。

小華HC32F334芯片針對上述問題，對外設(shè)細(xì)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化處理，以便應(yīng)對上述問題。芯片增加了外部事件消隱延遲功能，如圖7所示。工頻過零點附近，當(dāng)負(fù)電流持續(xù)有效時，在死區(qū)時間結(jié)束后會清零計數(shù)器進(jìn)而重新開啟TON，直到負(fù)電流恢復(fù)到給定值以上。本方案中，負(fù)電流檢測消隱信號跟隨功率管脈沖動態(tài)調(diào)整，圖8為未開啟消隱延遲功能的發(fā)波示意圖，圖9為開啟消隱延遲功能的發(fā)波示意圖。

圖 7 消隱模式下觸發(fā)計數(shù)器清零的外部事件延遲功能

圖 8 未開啟消隱延遲功能驅(qū)動發(fā)波示意圖

圖 9 開啟消隱延遲功能驅(qū)動發(fā)波示意圖

未開啟消隱延遲功能時，由于工頻過零點附近TON開啟未能使負(fù)電流恢復(fù)到給定值以上，樣機工作異常，頻繁的進(jìn)入負(fù)向OCP的過流保護(hù)，不能正常起機，如圖10所示。當(dāng)開啟消隱延遲功能時，如圖11所示，樣機正常工作，工頻過零點附近電流波形平滑無尖刺。

圖 10 消隱延遲功能未開啟

圖 11 消隱延遲功能開啟

2.2工頻過零點附近的邏輯處理

無橋圖騰柱拓?fù)湓诠ゎl換相附近，需要處理以下邏輯：

基于HC32F334芯片外設(shè)優(yōu)異的性能，以上邏輯均可以通過配置外設(shè)輕松搞定。通過HRPWM外設(shè)的swap功能，可配置寄存器實現(xiàn)邏輯①對調(diào)整流管與續(xù)流管的驅(qū)動脈沖邏輯。由上一章節(jié)介紹的消隱窗口，通過配置更改事件的消隱模式即可實現(xiàn)邏輯①更改相應(yīng)的消隱窗口配置的需求。HRPWM外設(shè)發(fā)波單元可配置選擇10個外部事件中任一一個或多個作為清零、捕獲、PWM動作的觸發(fā)源，更改寄存器配置可輕松實現(xiàn)邏輯②、③負(fù)電流檢測以及OCP保護(hù)邏輯的切換配置。

邏輯④實現(xiàn)的一般方法是通過在環(huán)路中斷程序中判斷標(biāo)志位后操作寄存器來關(guān)閉驅(qū)動脈沖，這樣做的缺點是每個環(huán)路中斷中必須要軟件干預(yù)才可以，同時開關(guān)波會有跟中斷服務(wù)函數(shù)相等時長的延時，另外關(guān)斷邏輯還會跟控制耦合在一起，增加邏輯的復(fù)雜性。利用HC32F334芯片的EMB外設(shè)可輕松搞定上述問題。配置EMB外設(shè)的端口保護(hù)功能，過零點附近操作GPIO口的置高置低來提供EMB外設(shè)的端口保護(hù)源，保護(hù)功能配置為狀態(tài)釋放，這樣無需軟件干預(yù)即可釋放驅(qū)動脈沖。過零點附近的驅(qū)動關(guān)波波形以及驅(qū)動切換如圖12所示。

圖12 工頻過零點驅(qū)動波形圖

另外，HC32F334芯片的HRPWM外設(shè)包含豐富的事件用來控制PWM輸出，如相比于競品，HC32F334的事件更多：除周期點、零點外，有6個比較寄存器動作點，和10個外部事件輸入動作源。并且在計數(shù)器的上升計數(shù)，下降計數(shù)時可以配置不同的輸出狀態(tài)。

表1 PWM控制事件

基于HC32F334芯片如此靈活的發(fā)波性能，配置高頻臂的驅(qū)動如圖20所示，在環(huán)路中斷中分別更改寄存器HRGCMAR、HRGCMER的值即可分別實現(xiàn)、驅(qū)動的脈寬緩起的邏輯。

2.3輕載效率和THD優(yōu)化

本文采用的TCM模式是CRM模式的衍生，其共同點是電感電流均為三角波，不同點是，CRM模式電感電流最小值為0，而TCM模式電感電流最小值為負(fù)值。因此，TCM模式下得THD可參照CRM模式類比過來，將TCM模式下的電流平均值補償為CRM模式下的平均值即可得到與CRM模式下相同得THD效果。如圖13所示為TCM模式下電流補償示意圖：

圖 13 TCM模式下THD補償圖

TCM模式下得電感電流平均值與CRM模式下得電感電流平均值相等，可列出等式：

? ? ? ?求解

令p=,解得：

小華HC32F334芯片為基于32bit Cortex-M4F CPU，內(nèi)置FPU，同時具備最大 128KB 的 Flash memory，因此上述算法軟件實現(xiàn)可通過公式計算或者查表的方式輕松實現(xiàn)。補償后的波形如圖6所示，滿足M-CRPS標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，為了提高輕載效率以及THD，方案在40%負(fù)載以下工作在單路模式，這對輸入濾波器提出了更高的要求。如圖14所示，為方案中采用兩級濾波器仿真模型圖以及濾波器的幅頻特性。

圖 14 輸入濾波器特性仿真

如圖14所示，濾波器包含兩個諧振頻率，本方案中兩路工作模式切換至單路工作模式后，工作頻率相比兩路工作模式下會降低，進(jìn)而穿越如圖14所示的最右側(cè)的諧振頻率。由于該諧振頻率點的衰減系數(shù)突然變小，同時由于是工作在TCM模式下，電感電流波形為三角波，幅值比較大，這樣位于諧振點附近的電感電流衰減系數(shù)不夠，導(dǎo)致三角波電感電流幾乎無衰減。在輸入濾波器看進(jìn)去的電流如圖15所示，濾波器在諧振頻率29KHz處對電感電流幾乎無衰減。如果將濾波器的諧振頻率降低，必然要增加差模感量或者X電容容值，這樣會導(dǎo)致輸入濾波器的插入損耗進(jìn)一步增加或者導(dǎo)致無功電流增加影響PF值。

圖 15 輸入電流震蕩波形

本方案通過在X電容上串入電阻，很好地解決了上述問題，串入電阻后的濾波器波特圖如圖16所示。

圖 16 X電容串電阻后的濾波器波特圖

2.4 準(zhǔn)確負(fù)電流檢測與防干擾設(shè)計

TCM模式下的PFC工作在變頻模式，頻率范圍可由20kHz至300kHz區(qū)間變化，因此負(fù)電流檢測對檢測回路的帶寬要求較高，參考方案使用高頻互感器進(jìn)行檢測，如圖17所示。當(dāng)電流從互感器T1的7引腳流向8引腳，Q4和Q5開通進(jìn)行正向電流的OCP檢測，以及ZCD電流的檢測；當(dāng)互感器不檢測電流（關(guān)斷），Q4和Q5關(guān)斷，互感器T1由D17進(jìn)行退磁。與、串聯(lián)的互感器采樣回路分別實現(xiàn)了的OCP采樣與的負(fù)電流采樣，采樣波形如圖18、19所示。采樣波形分別經(jīng)過高速比較器輸出至MCU芯片HRPWM外設(shè)，經(jīng)過HRPWM外設(shè)靈活的外部事件處理性能實現(xiàn)逐周期的OCP電流保護(hù)功能以及負(fù)向電流檢測功能。 ??

如圖20所示，為高頻臂驅(qū)動發(fā)波示意圖。HC32F334的HRPWM外設(shè)具備外部事件消隱功能，可以忽略指定時間發(fā)生的外部事件，其中指定消隱時間配置非常靈活，用戶可以通過寄存器設(shè)置選擇下面任意一種模式：

①消隱時間可以由本單元濾波偏移寄存器EEFOFFSETAR到窗口寄存器EEFWINAR

②其他單元生成的消隱信號

③其他單元的PWM信號：PWMA_PRE1或PWMB_PRE1

④本單元計數(shù)值等于周期值或者鋸齒波硬件清零到偏移值EEFOFFSETAR（或窗口值EEFWINAR）的時間

⑤本單元計數(shù)值等于0到偏移值EEFOFFSETAR（或窗口值EEFWINAR）的時間

本參考方案中，因OCP電流保護(hù)與負(fù)向電流檢測兩路事件為弱信號，在管子動作時很容易受干擾。HRPWM外設(shè)針對外部事件可配置消隱窗口，在消隱窗口時間內(nèi)可忽略外部事件作用。因此，針對OCP保護(hù)以及負(fù)電流檢測事件分別做了內(nèi)部消隱。得益于HC32F334芯片外部事件靈活的消隱功能，本參考方案可分別對OCP事件配置消隱模式④，對負(fù)向的電流檢測事件配置消隱模式⑤，進(jìn)而保證驅(qū)動以及保護(hù)不受干擾，正確運行。

圖 17 電流檢測電路

圖 18 續(xù)流管負(fù)電流采樣波形

圖 19 主管OCP電流采樣波形

圖20 基于HC32F334的TCM_PFC高頻臂驅(qū)動發(fā)波配置示意圖

2.5變頻交錯功能實現(xiàn)

本參考方案中兩路交錯TCM_PFC在變頻控制時，需實時矯正兩路相位差，以便保證兩路能夠可靠交錯。HRPWM模塊每個單元timer都支持PWM輸出和捕獲功能同時使能，每個單元都有兩路捕獲功能，因此第一路timer既可以通過本單元ovf事件觸發(fā)本單元捕獲，測量出本路的開關(guān)周期T，還可以通過第二路timer的ovf事件觸發(fā)第一路timer的捕獲功能，從而得到從路相對于主路的相位P，進(jìn)而計算出當(dāng)前實時檢測到的相位P與理論目標(biāo)相位（180°）的差：，而后通過占空比微調(diào)使得從路相對于主路的相位保持在180°左右。如圖21所示，兩路電感電流實現(xiàn)了可靠的交錯。 ??

圖 21 兩路電感電流波形以及主路的驅(qū)動與Vds波形

2.6保護(hù)功能設(shè)計

如圖22所示，為方案中高頻功率電感的飽和電流測試波形。PFC電感飽和后，感量會急劇下降，進(jìn)而會導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損壞。因此，PFC電感的防飽和保護(hù)功能至關(guān)重要，除了單周期的OCP功能外，控制軟件中還需增加一層保護(hù)。

控制軟件依據(jù)公式（2-1），通過查詢輸入電壓瞬時值來限制TON得大小來間接限制得大小。

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圖 22 高頻電感飽和電流波形測試圖

3.交錯無橋圖騰柱TCM_PFC應(yīng)用方案擴展

隨著以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展，以及高性能MCU數(shù)字電源處理器的不斷升級迭代，基于CCM模式的無橋圖騰柱應(yīng)用將會越來越廣泛。小華HC32F334也能很好地支持基于CCM模式的無橋圖騰柱拓?fù)淇刂撇呗?，系統(tǒng)框圖如圖23所示。歡迎大家開發(fā)探討。

圖 23 兩路交錯無橋圖騰柱CCM_PFC系統(tǒng)框圖

4.總結(jié)

隨著AI和人工智能等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，服務(wù)器電源的高效率和高功率密度要求日益增強。本文詳細(xì)介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的兩路交錯無橋圖騰柱TCM_PFC參考設(shè)計，重點介紹了工頻過零點電流畸變控制、工頻過零點附近的邏輯處理、輕載效率和THD優(yōu)化、準(zhǔn)確負(fù)電流檢測與防干擾設(shè)計、變頻交錯功能的實現(xiàn)、及保護(hù)功能設(shè)計。

上述分析和實驗結(jié)果表明，小華HC32F334從芯片層面保證了圖騰柱PFC控制功能的實現(xiàn)；同時靈活性的PWM波形控制功能有利于各種電源拓?fù)涞臄?shù)字控制開發(fā)，讓用戶使用起來更便捷、更安全！

更多信息歡迎關(guān)注小華官網(wǎng)數(shù)字電源產(chǎn)品和電源應(yīng)用相關(guān)模塊的應(yīng)用手冊。

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