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【经验分享】STM32F334 应用于 LLC + SR 的高精度Timer 波形产生

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STMCU小助手 发布时间:2022-2-24 21:06
前言" N+ _, }9 `: C( k& l* |$ z
LLC 谐振变换器优于常规串联谐振变换器和并联谐振变换器:在负载和输入变化较大时,频率变化仍很小,且全负载范围内切换可实现零电压开关(ZVS),越来越多的被使用,同时使用二次同步整流(SR)可以实现零电流开关(ZCS)。微控制器的使用带来体积更小,控制更灵活的产品, STM32F334 内部集成高精度 Timer 高精度,高灵活性的 PWM 波形产生不仅使控制变简单,同时对产品效率提升带来好处。
7 `2 I( X& c0 L  b$ @9 J8 \' u4 ]
简要说明 LLC 简要说明 LLC 以及 SR 原理
6 l) J) Q1 R, h6 v对于普通的拓扑而言,在开关管开关时,MOSFET 的 D-S 间的电压与电流产生交叠,因此产生开关损耗,见下图示意:* x5 N7 l- c1 H2 T, U% L0 q

, r6 \0 I/ k% t) K$ _" s& D$ C) ~6 {+ F }DR9J}]I6NO(W(I%A%AQ4AG.png
$ I# k$ ~7 H9 v% a+ j6 ^  L- S5 W1 q! P! [5 k, h
为了减小开关时的交叠,人们提出了零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)两种软开关的方法。对于 ZCS:使开关管的电流在开通时保持在零,在关断前使电流降到零。对于 ZVS:使开关管的电压在开通前降到零,在关断时保持为零。4 U1 N- `% ^4 N+ A( s7 F

8 N/ `5 I6 p: m: r4 k0 z5 c实际应用中一般是在变压器源边 ZVS 打开,而在副边进行二次同步整流(SR--synchronous rectification)的 ZCS 的关闭操作,下图为 LLC + SR 基本硬件构图:
" [  C: d& y0 n% s
9 J% J6 T& B3 |' h9 l7 x `TV[9L@U3YQ1%~}{)UHNO`J.png : L9 \5 w; S; e1 R6 t' S2 [
8 F5 E" i* L* w( t, }5 j' L
电感 Lr,变压器电感 Lm,电容 Cr 构成 LLC 网络。
: w: M* Z' i- x重载工作时谐振频率:9 G+ Q4 g$ Q- ^. G# h) D5 N5 c2 I" J

5 D% o1 M) _' E9 c% R 69~{}DGC(EK6DJP7_3VKG4S.png ! h1 e( {5 d9 I& C! E+ M, l

2 ?; R: _" K5 m' B# j- a轻载工作时谐振频率:
; K; v7 }# R2 i, m
5 E3 A( k# S" U5 B 7G3F11N[%W8~W6JB768KEE5.png
; h/ }4 C' ~* ?1 U1 C9 Z* J
9 }  p4 U0 Y6 c. k$ Q/ Y控制波形
9 v# W, m0 m7 y+ l4 d% l  g/ f在变压器源边根据电路参数设定固定的死区时间,副边延迟时间则根据实际电路以及频率进行实时调整。3 l3 B# I0 ~7 p5 B# R9 _+ y; }
MOSFET 端控制波形如下:
5 M- r) ^* W" r0 {& v( r0 ~- C0 Y6 b" k/ b7 p( J( j
T8GR}$@B%I_ODY4VBOYSIZU.png
$ B0 s9 P. {( h1 N& P" o+ L7 N8 v# `
! S% s4 E4 h/ c) n
STM32F334 的 STM32F334 的 HRTIM 简介9 P  @# ^/ E: ]" V
STM32F334 内部集成高精度 Timer(HRTIMER),时钟频率最高达到 4.6GHz,同时各种波形控制机制,可以灵活配置波形产生,5 路 Timer 单元,每个上面可以产生互补输出或者单独的 PWM,同时可以使用 Master Timer 进行同步操作,各种Fault 产生机制快速终止输出,下图为 HRTIMER 框图:
  x9 K# s5 A0 F6 ]
7 Z; Y+ ?% h* w [7S27IAAYQE0V)S@F9X5H.png   _4 d. S" u; R( @& m
& p; I% v/ c) W3 v

8 b6 f1 f, G" C' s% [如何产生波形以及机制 如何产生波形以及机制6 k! M% W3 d8 k" Q4 ]6 m
Timer A 互补输出(两路波形)作为变压器源边 PWM 波形,死区时间根据电路参数调整,Timer B 其中一路波形作为SR 控制输出 1,Timer C 其中一路波形作为 SR 控制输出 2;具体操作如下:
# y: I6 R/ e; V 设定 Master Timer 做为 Timer A,B,C 的同步信号
' a) n3 i3 b* y. J
  1. pTimerCfg.ResetTrigger = HRTIM_TIMRESETTRIGGER_MASTER_PER;
复制代码

0 H# C2 p  T# o. {2 \  d 设定 Timer A 两路互补输出,死区时间可调,本例中死区时间为 T1
# W5 z3 I( K- ^6 ^* j4 y4 v0 f
  1. pTimerCfg.DeadTimeInsertion = HRTIM_TIMDEADTIMEINSERTION_ENABLED;
    8 X* r& ]' G* t( ]7 @  }9 H' j6 `% p( `
  2. pDeadTimeCfg.RisingValue = T1;. |9 W; v% m) q# M3 L
  3. pDeadTimeCfg.FallingValue = T1;
复制代码
! y: R3 O! v9 l; E
设定 Timer A 的 Set 源为 TIMERA_Compare1, Reset 源是 Master Timer 周期事件" P; J. U7 v* f% E7 P/ {
  1. pOutputCfg.SetSource = HRTIM_OUTPUTSET_TIMCMP1;- L0 K9 F9 _6 M5 n, F
  2. pOutputCfg.ResetSource = HRTIM_OUTPUTRESET_MASTERPER;
复制代码

( Q# x0 S0 a5 | 设定 Timer B 为单路输出,Set 源为 TIMERB_Compare1,Reset 源是 TIMERB_Compare26 S/ q" r; S) B9 F8 L4 k
  1. pOutputCfg.SetSource = HRTIM_OUTPUTSET_TIMCMP1;! s, \7 A- @1 |7 Q
  2. pOutputCfg.ResetSource = HRTIM_OUTPUTRESET_TIMCMP2;
复制代码

" h" ^9 ?  w! f$ m/ T/ e! N# l 设定 Timer C 为单路输出,Set 源为 TIMERC_Compare1,Reset 源是 TIMERC_Compare2# K1 B; t0 a; ^0 F
设定 TIMERB_Compare1 数据为半周期数据(Half period)+ T2,TIMERB_Compare2 数据为 T3" e( Y0 Y7 x) l+ A5 H' ^
  1. __HAL_HRTIM_SetCompare(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_COMPAREUNIT_1,3 `7 ]: U: G/ f
  2. HALF_FRQUENCY+T2);2 \9 c5 j+ q7 `+ R6 v, C9 o6 F- t
  3. __HAL_HRTIM_SetCompare(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_COMPAREUNIT_2, T3);
复制代码
: D) O5 V3 B7 ~' x$ b' c
设定 TIMERC_Compare1 数据为 T2,TIMERB_Compare2 数据为半周期数据(Half period)+ T3; b* L9 n8 |" A
  1. __HAL_HRTIM_SetCompare(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_C, HRTIM_COMPAREUNIT_1, T2);
    - _  x4 n( t  }3 I) W- u
  2. __HAL_HRTIM_SetCompare(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_C, HRTIM_COMPAREUNIT_2,
    1 }& a0 C1 H. o  P. d' q! d
  3. HALF_FRQUENCY+T3);
复制代码

! h- L$ o' S  ^5 k# v1 q/ u
1 L, P8 Y+ t- ~- w, f+ U! ?, {$ p* E; F% j/ P7 R$ y3 Z
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