给LLC软启动“降降温”，利用PSoC™ CLB-MACO功能实现LLC启动谐振电流峰值抑制

图1：LLC框图

英飞凌新一代MCU  PSoC™ Control C3M/P8 集成的CLB（Custom Logic Block，自定义逻辑模块）硬件加速模块提供了一种新的实现思路。通过MACO（Matrix Commutation）模块预定义PWM控制序列，并结合SPS（Spread Pulse Startup，扩展脉冲启动）功能实现与PWM模块之间的平滑切换，可以将软启动过程从软件实时控制转变为硬件自动执行，从而更加精准地控制启动阶段的能量注入，实现平稳启动并有效抑制谐振电流冲击。

图2：PSoC™ Control C3M/P8框图

对于高频LLC系统而言，启动阶段往往是器件应力最大的工况之一。LLC 谐振变换器启动阶段的大电流冲击，主要源于谐振网络初始能量状态为零，启动瞬间，谐振电容与输出电容电压接近零，谐振电感L_r及励磁电感L_m电流均尚未建立；当母线电压施加后，谐振网络被迫迅速建立谐振电容电压并向输出电容充电。输出电容近似短路，使谐振腔等效负载阻抗显著降低，谐振电流在启动初期数个开关周期内快速攀升。若启动频率接近谐振频率，回路阻抗显著降低、电压增益升高，冲击电流幅值随之放大；同时，启动初期励磁电流幅值偏小，ZVS 条件难以满足，硬开关效应所引发的电流尖峰导致谐振腔开关管的损耗和结温急剧增加，如果控制策略不当，谐振电流会在极短时间内达到较高峰值并导致开关管失效。

图3. CLB框图

CLB内部集成了DICO和MACO两个功能子系统。其中，DICO主要应用于Totem-Pole PFC控制，MACO 被用于基于轨迹控制（Trajectory Control）和换相矩阵（Commutation Matrix）的矩阵变换器（Matrix Converter）控制算法。CLB 是一个纯数字模块，专为数字电源中的高实时性控制需求设计，例如数字电流观测、矩阵变换器控制以及启动控制等场景，通过专用硬件逻辑减轻CPU实时运算压力。

MACO面向矩阵变换器应用设计，将开关状态、PWM参数及保持时间预先存储在内部寄存器中，再由MCU内部硬件自动执行。

每个开关控制信息(称为控制pattern, 以下用Pattern表述)均包含：

• 开关状态

• PWM脉宽

• 死区时间

• 保持时间

启动后，MACO按照预设顺序自动扫描并执行这些Pattern，从而直接输出对应PWM波形，无需CPU实时参与控制。

从控制原理上看，MACO本质上是一种硬件Pattern执行引擎。任何能够提前规划好的PWM控制序列，都可以转换成Pattern并交由硬件自动执行。

图4. CLB-MACO Pattern控制示意图

既然MACO能够自动执行预定义PWM序列，那么这一特性同样可以用于LLC软启动控制。下面以英飞凌3.3 kW半桥LLC参考设计为例进行说明。英飞凌3.3 kW半桥LLC参考设计，采用GaN作为功率器件，LLC谐振频率f_r = 500KHz。

为了降低启动阶段的峰值谐振电流，系统采用远高于谐振频率的软启动方式，f_s = 1.6MHz，约为谐振频率的3倍以上，由于启动频率远高于谐振频率，谐振腔工作在感性区域，增益远小于1，能够限制启动阶段进入谐振网络的能量，从而降低谐振电流冲击。

系统将启动过程拆分成多个阶段，并提前将对应PWM信息写入MACO。

其中：

• Pattern 1~14：由MACO产生的软启动PWM序列

• 第15个PWM周期：切换至软件控制的PWM正常闭环控制模式。

图5. LLC增益曲线图

在CLB架构中，除了MACO之外，还专门设计了SPS（Spread Pulse Startup，扩展脉冲启动）功能。SPS本身不负责产生PWM，而是用于实现MACO与软件控制的PWM模块之间的硬件级切换路径，使启动阶段和正常运行阶段能够使用不同的控制资源，并在切换过程中保持波形连续性。

下面通过仿真与实测波形进行说明。

仿真波形显示，在未采用1.6MHz高频软启动策略的情况下，谐振电流在短时间内快速上升，谐振网络会产生较大的瞬态电流冲击。该结果表明，如果启动阶段的能量注入控制不当，功率器件可能承受较高的瞬态应力。

图6. LLC仿真启动波形

英飞凌3.3 kW参考设计采用CLB-MACO软启动方案，实测波形如下：

CH1：谐振电流  

CH2：LLC PWM 

CH3：输出电压

在该波形中，启动阶段前14个开关周期的PWM脉冲由MACO输出，开关频率f_s= 1.6MHz.第 15 个开关周期及之后，PWM 由软件控制的 PWM 模块输出，其初始开关频率同样设置为1.6MHz. 完成MACO模块输出的PWM序列后，SPS自动触发切换到由软件控制的PWM模块接管后续闭环控制，整个切换过程完全由硬件完成，无需软件参与。

从测试结果可以看到，PWM切换连续，启动阶段的谐振电流峰值得到有效控制，未出现明显振荡和过冲现象，从而降低功率器件承受的瞬态应力。

图7. 实测启动波形

将仿真与实测结果进行对比可以发现，采用CLB-MACO硬件软启动方案后，启动过程中的能量注入更加可控，谐振电流冲击得到有效抑制。与此同时，MACO与软件控制的PWM之间的切换过程连续稳定，没有出现明显的频率跳变或控制空窗。

• 启动阶段能量注入更加可控

• 谐振电流冲击得到有效抑制

• MACO与PWM实现无缝切换

• 整个过程无需CPU实时参与控制

从CLB整体架构来看，MACO并不仅仅应用于矩阵变换器，它本质上是一种通用的硬件Pattern执行引擎；而SPS则负责启动阶段与正常运行阶段之间的平滑切换。二者结合，使CLB能够完成传统软件方案难以实现的高实时性控制任务。

在英飞凌3.3 kW半桥GaN LLC参考设计验证中，利用MACO执行预定义软启动序列，并通过SPS实现与PWM模块的无缝切换，实现了平滑的启动过程和稳定的模式切换。测试波形表明，启动阶段谐振电流冲击得到有效抑制，充分体现了CLB在数字电源控制中的应用价值。

PSoC™ Control C3M/P8高性能MCU是英飞凌面向数字电源和电力电子控制应用推出的新一代MCU。器件采用三核Arm® Cortex®-M33架构，包括1个180 MHz主内核和2个200 MHz PPCA内核，为复杂控制算法提供充足算力。同时，MCU集成最高25 MSPS高速ADC、高分辨率PWM<100ps、3P3Z硬件环路补偿器以及丰富的数字电源专用控制资源，可满足PFC、LLC及DC/DC等应用对采样速度、环路带宽和控制实时性的要求。

在安全方面，PSoC™ Control C3M/P8还支持TrustZone®安全架构、安全启动（Secure Boot）以及后量子密码学（PQC）相关安全机制，可帮助系统构建从启动到运行阶段的完整安全链路，满足新一代工业及能源设备对于系统安全的要求。

此外，MCU集成的PPCA硬件加速架构能够将部分关键控制功能从软件迁移至专用硬件执行，为数字电源应用提供更高的实时性和确定性。其中，CLB正是PPCA中的重要组成部分。

对于高频LLC系统而言，软启动不仅影响启动成功率，还直接关系到功率器件应力和系统可靠性。CLB-MACO结合SPS提供了一种硬件自动执行的启动方案，在无需CPU实时参与的情况下实现受控能量注入和平滑模式切换，为高频数字电源设计提供了新的实现思路。