一種 PFC TCM 控制模式的實現方式

1. 引言

實現 PFC 功能最常用的電路為 BOOST 電路，其電路結構如下，根據工作過程中電感 L 的電流是否連續，其工作方式可以連續導通模式 CCM、臨界導通模式 CRM、斷續導通模式 DCM。一般情況下，負載較重時電路工作在 CCM 模式下；隨著負載的減小，電路會進入 CRM/DCM模式，為了降低 CRM/DCM 工作模式下電路損耗，提升系統效率，需要想辦法實現主開關管 S（MOSFET）的零電壓導通(ZVS, Zero Voltage Switch)，TCM(Triangular Current Mode，三角電流模式)控制模式可以用來實現該目的。


2. PFC TCM 控制模式介紹

在 BOOST 電路中，TCM 控制模式下，當電感電流減小到零後，若開關管 S 繼續保持關斷狀態，那麼電感將會與開關管 S 的寄生/並聯電容產生諧振，電感電流反向，開關管 S 的寄生/並聯電容放電。交流輸入電壓大於輸出電壓的 1/2 時，S 兩端的電壓無法諧振到 0；交流輸入電壓小於輸出電壓的 1/2 時，S 兩端的電壓將諧振到 0。TCM 控制模式的波形如下圖所示。

                                      開關 S 兩端電壓 Vds 諧振到 0                                                                                                            開關 S 兩端電壓 Vds 無法諧振到 0

當開關 S 的 Vds 諧振到 0 後控制導通，可以實現開關 S 的 ZVS；當開關 S 的 Vds 無法諧振到 0，在 Vds 的谷底控制導通，相對於純粹的硬開關也是可以減少一部分開關損耗的。實現 TCM 工作方式的要點：
1. 電流過零點檢測
2. 檢測到過零點後延時 Td 導通開關管 S

下面將介紹如何基於 STM32G474 系列 MCU 實現以上控制，其中延時 Td 的計算與電路結構以及瞬時工作狀態強相關，涉及電感量、寄生/並聯電容量、輸入電壓、輸出電壓，具體的數學計算過程本文不做詳細介紹。

3. PFC TCM 控制模式的實現

在 STM32G474 中，利用片上的模擬比較器、DAC 和高精度定時器可以完成 TCM 控制，處理流程如下圖所示。模擬比較器用於檢測電感電流的過零點(ZCD)，比較器的負端使用片上 DAC 的輸出作為參考，比較器正端接電流採樣信號；比較器的輸出信號作為高精度定時器的事件管理模塊(EEV)的輸入，檢測比較輸出信號的下降沿後觸發事件 EEVx ；利用高精度定時器的捕獲模塊捕獲 EEVx事件，生成捕獲事件 CPT1 ；CPT1 觸發定時器的比較單元 CMP2 的延時比較(Auto Delayed Mode), 在 compare 2 中寫入的值即為前文中提到的延時 Td，產生的事件 CMP2 Event 用於復位定時器計數器以及控制 PWM 輸出。

本文使用的 PWM 的產生方式為：
Set source: CMP2 Event
Reset source: CMP3 Event

依據以上的方案描述，藉助 CubeMx 工具，具體的配置如下：
1. COMP，使用 DAC 的輸出作為參考，使能遲滯功能。

2. EEV 事件(EEV4 為例)，輸入為片上比較器的輸出，下降沿有效。

3. 定時器配置(Tim A 為例)，計數器復位源為 CMP2 Event，CMP2 工作在 Auto Delayed mode。Compare Value 中的值即為延時 Td，需要根據硬體和實際工作情況計算並寫入，Timeout 為捕獲事件超時設置。捕獲模塊觸發上述配置的 EEV4。

4. PWM 發生，Set Source 為 CMP2 Event，Reset Source 為 CMP3 Event(也可以是其他比較事件，其值取決於環路計算所產生的占空比)。

4. 實測結果

按照以上的設計思路搭建模型，實測波形如下圖所示，圖中 C1(黃)為比較器過零參考電平，C4(綠)為電感電流波形，C3(紅)為比較器輸出波形，C2(藍)為 PWM 輸出給開關管 S 的驅動波形。捕獲到電流過零點事件後，根據設定的延時值產生延時比較事件(CMP2 Event)，觸發定時器復位以及 PWM 驅動重新輸出。

5. 小結

FPC TCM 控制模式在降低開關損耗，提升系統效率方面優勢明顯，但是控制方式相對複雜，本文基於 TCM 工作原理，利用 STM32G474 的片上資源設計了一種可用於 TCM 控制的方案，可幫助客戶快速實現功能。