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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350W的实验样机验

证了所提控制方法的正确性和有效性[7-9]。

1LLC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fr1lt;flt;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。

2LLC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=400V，额定输出功率350W，

输出电压24V，输出电流15A，开关频率100kHz，变压器变比41：6，谐振电感Lr=60μH，

谐振电容Cr=42nF，励磁电感Lm=180μH。主功率开关管采用STP12NM50(550V，12A)，

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40MHz，ADC模块每20ms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