本文主題是介紹如何以 NXP 的 DSC 實現 Peak Current Control Mode PSFB 功能的系列文章。文章分為三篇,本篇會先介紹 DSC 是使用那些功能來實現全橋 PWM,續篇會解說 PSFB 的動作機制。第三篇則是同步整流 PWM 的實現方式,以及透過內部機制偵測當前的 PWM 切換狀態。 相位移全橋 (Phase shift full bridge,簡稱 PSFB) 是經常使用在大功率電源上的電源架構,使用兩個 Duty 固定在 50% 的半橋開關組成全橋轉換器架構,利用兩個半橋間開關的相位差導通變壓器初級側,將能量轉換到次級側。由於相位差產生的開關導通時間順序,正好可以用來使開關上的電壓在導通前降至 0V,從而實現零電壓切換 (ZVS) 切換來提高效率。 PSFB 在一個週期內會有兩個導通的時段,分別對變壓器的磁化電感充磁與洩磁。在傳統的電壓控制型 PSFB 電路上,是以輸出電壓的補償器來決定目前輸出的 Duty,兩個導通時段在設計上是相同的。但是還是會因為以下的原因導致電感的充磁與洩磁的能量不同。
磁化電感的充磁與洩磁的能量不同,則變壓器會產生磁偏,磁化電感無法工作在固定的磁化曲線上,會漸漸地朝某一邊偏,最後導致電感飽和。飽和則會導致電感呈現短路狀態,開關晶體則會因為短路的大電流損壞。因此必須要增加增加平衡電路,使磁偏可以被平衡回來。 但是平衡電路會造成多餘的成本與損耗,因此後來便提出了峰值電流控制模式 (Peak current control mode) 的方式,控制的對象由相位移的角度變成變壓器兩個區間的峰值電流,而輸出電壓的補償器則是控制變壓器電流的大小。如此一來便解決了磁偏的問題,但是讓開關以峰值電流控制的開關方式切換需要複雜的功能來實現。 傳統的 PSFB 的電路基本和和傳統的全橋轉換器相同,但是能量傳輸的方式較為特殊。是使用帶有 Deadtime 的 50% Duty PWM 分別控制兩組半橋開關,當兩個半橋開關的相位差大於零,使對角的開關 PWM 交疊時,變壓器就可以從輸入電壓獲得能量來進行轉換。由於控制的對象是相位差,因此可以將其中一組半橋視為固定臂,另一組開關動作上相位落後的則視為相移臂。 而 Peak Current Control Mode PSFB 在電路上則多了一個變壓器電流偵測的比流器,而在 PWM 上,因為採取控制變壓器磁化電流的方式,因此 PWM 不再是固定的 50% Duty,而是以電流峰值來決定開關的運作。實際運作上,與傳統 PSFB 相同,一樣存在一個固定臂,而另一組相移臂則在電流上升頂到目標時進行開關狀態的切換。 在電源上採用峰值電流控制方式時,在能量傳輸區大於週期 50% 時會開始因次諧波震盪的問題而有控制不易穩定的情況發生。原因與理論推導就不加詳述,結論上來說,一般採用峰值電流控制時,都會需要導入負斜率補償到電流峰值的參考訊號中來解決這個問題。 當使用 MCU 實現 PSFB 波形時,由於峰值電流控制相移,而電流變化的速度又遠高於一般 MCU 的 ADC 採樣與控制環路的計算速度,因此電流控制的相移臂動作會需要以硬體方式實現。以下先歸納一下要實現 PSFB 全橋開關控制的 PWM 所需要的功能。
NXP 的 DSC 具備了靈活的功能,使用內部的專用功能互相搭配,可以完成所需波形的所有功能。整體控制環路的框圖可以參考下圖,所有的 PWM 都透過 eflexPWM 模組輸出,內部的數個模組之間互相連動,搭配軟體的 PI 環路控制 PSFB 轉換器的輸出電壓。 NXP PSFB Block Diagram ![]() 主要的控制環路,分為由 ADC 與軟體控制器實現的電壓環,以及使用 DSC 硬體實現的電流環。 硬體電流環的實現方式,會使用到幾個內部模組互相搭配。首先是峰值電流偵測的比較器與參考訊號。參考訊號由 DAC 產生,比較器則負責輸出電流採樣訊號與參考訊號比對的結果。
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![]() 以 DSC 實現的 PSFB 帶有以下優勢 :
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