基於ST StellarP6的CLLC調頻加占空比雙變量控制同步整流時序

關鍵字 :STStellarP6MCU汽車CLLCSR

一. 引言

CLLC變換器是一種常見的諧振變換器拓撲，廣泛應用於高效率、高功率密度的電源設計中。為進一步提升效率，同步整流（SR）時序必須隨工作頻率實時調整，且需兼顧欠/過諧振兩種模式。本文基於 ST StellarP6 的 GTM（通用定時器模組），提出一種「變頻 + 占空比」雙變量控制的 SR 發波方案，典型諧振頻率為 170 kHz，驗證頻率範圍為 120 kHz–260 kHz。

二. 同步整流時序介紹

CLLC 原邊使用固定佔空比 50%、變頻控制策略，兩橋臂互補、相位差 180°。本方案基於 StellarP6 的 GTM-Cluster2，資源分配與同步機制如下：

原邊超前橋臂：ATOM2_0 / 0N
原邊滯後橋臂：ATOM2_2 / 2N
副邊 SR 超前橋臂：ATOM2_4 / 3
副邊 SR 滯後橋臂：ATOM2_6 / 5
ADC 觸發：ATOM2_7（固定頻率50k）

所有通道的計時器計數由 ATOM2_0 計時器翻轉事件重置，形成級聯同步，確保所有通道的 PWM 頻率一致；雙比較暫存器 SR0／SR1 分別定義上升／下降沿，透過 Global Update Event 保證同一周期內所有暫存器同時生效，抑制變頻過程中的相位抖動。

CLLC原邊PWM SR0及SR1滿足下式：

SR0 = 週期，SR1 = 0.5 * 週期；

副邊PWM的週期值與原邊保持一致。

當處於共振點時，Q5、Q6、Q7、Q8 PWM SR0及SR1與原邊對應管保持一致：

SR0 = 週期，SR1 = 0.5 * 週期；

當處於過諧振時，Q5、Q8 PWM SR0及SR1滿足以下公式：

SR0 = 週期，SR1 = (1 - 占空比) * 週期；

Q6、Q7 的 PWM SR0 及 SR1 滿足以下公式：

SR0 = (0.5 - Duty)*period，SR1 = 0.5 * period；

當處於欠諧振時，Q5、Q8 PWM SR0及SR1滿足以下公式：

SR0 = 0.5 * 週期，SR1 = (0.5 + 占空比) * 週期；

Q6、Q7 的 PWM SR0 及 SR1 滿足以下公式：

SR0 = 責任 * 週期，SR1 = 週期；

其中Duty隨頻率變化對應下圖關係，隨著CLLC控制頻率的變化，Duty也隨之發生改變。

透過調整各通道的PWM SR0及SR1值，可以在過諧振時，讓Q5/Q8/Q6/Q7實現延遲開啟，達到同時調節占空比和頻率的效果；在欠諧振時，讓Q5/Q8/Q6/Q7實現提前關閉，同樣達到同時調節占空比和頻率的效果。

三. StellarP6實現同步整流時序

在過諧振時，透過線性擬合方法得到週期與duty的近似關係，計算得到實際的duty值，並限制duty在0.375與0.46之間。

shfitphase = (uint32_t)((plusetime * (plusetime * 0.0000158f - 0.000453f) + 0.3158f) * period);
if(shfitphase >= (uint32_t)(0.46f * period))
{
    shfitphase = (uint32_t)(0.46f * period);
}
else if(shfitphase <= (uint32_t)(0.375f * period))
{
    shfitphase = (uint32_t)(0.375f * period);
}
CLLC_PWM_duty_period_set(period >> 1, period, 0, shfitphase);

將計算得到的SR0和SR1值分別寫入GTM暫存器。

GTM.CLS[2].ATOM.CH[6].SR1.R = 週期;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[6].SR0.R = 週期 - 超過Rduty計數;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[5].SR1.R = 負載;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[5].SR0.R = 負載 - 超過Rduty計數;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[4].SR1.R = 負載;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[4].SR0.R = 負載 - 超過Rduty計數;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[3].SR1.R = 週期 - 超過Rduty計數;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[3].SR0.R = 週期;

使用相同的方法來實現欠諧振的GTM暫存器寫入。

shfitphase = (uint32_t)((plusetime * (plusetime * 0.000002f - 0.003f) + 0.7772f) * period);
if(shfitphase >= (uint32_t)(0.46f * period))
{
    shfitphase = (uint32_t)(0.46f * period);
}
else if(shfitphase <= (uint32_t)(0.25f * period))
{
    shfitphase = (uint32_t)(0.25f * period);
}
CLLC_PWM_duty_period_set(period >> 1, period, shfitphase, 0);
GTM.CLS[2].ATOM.CH[6].SR1.R = duty + UuderRdutyCnt;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[6].SR0.R = duty;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[5].SR1.R = UuderRdutyCnt;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[5].SR0.R = period;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[4].SR1.R = UuderRdutyCnt;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[4].SR0.R = period;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[3].SR1.R = duty;
GTM.CLS[2].ATOM.CH[3].SR0.R = duty + UuderRdutyCnt;

四. 實驗現象

下圖分別給出 140 kHz（欠諧振）與 200 kHz（過諧振）的兩組實測波形，探頭置於原邊超前臂 Q1/Q2 與副邊 SR 超前臂 Q5/Q6。

欠諧振，當PWM頻率為140k時，原邊超前臂Q1及Q2的PWM為50%占空比，副邊SR超前臂Q5及Q6為39%占空比，SR0/SR1按照「超前關斷」策略配置；Q1相對於Q5及Q2相對於Q6的上升沿同時開啟，下降沿超前關斷。