電源提示：設(shè)計 LLC 諧振半橋電源轉(zhuǎn)換器

與傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制 (PWM) 電源轉(zhuǎn)換器不同，諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電壓通過頻率調(diào)制進行調(diào)節(jié)。因此，諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法將不同于 PWM 轉(zhuǎn)換器。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器透過設(shè)計電路產(chǎn)生諧振的方式，實現(xiàn)功率開關(guān)元件的軟切換，能顯著的提升轉(zhuǎn)換器效率，因此廣受業(yè)界喜愛。但你是否也覺得 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的補償難以調(diào)整，Transient Response 太慢？系統(tǒng)頻寬太低？單純的電壓回授已經(jīng)無法滿足設(shè)計需求，但是受限于 LLC 無法使用峰值電流模式控制，沒辦法設(shè)計更優(yōu)化的回授與補償器？

LLC 在運作上使用固定 Duty 的脈沖訊號驅(qū)動全橋或半橋諧振電路，透過改變開關(guān)的頻率來改變變壓器的增益。在控制方式上，單電壓環(huán)的LLC 控制已經(jīng)是成熟的主流技術(shù)，透過比較輸出電壓與參考電壓的方式變更工作頻率，可以穩(wěn)定的運作LLC 轉(zhuǎn)換器，但其缺點也十分明顯：無法及時反應(yīng)輸入電壓變化、對應(yīng)輸出電流變動時恢復(fù)穩(wěn)態(tài)電壓的響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)頻寬較低等。

為了改善上述的缺點，最佳的辦法就是將電流也納入控制環(huán)路中。這在學界與業(yè)界皆有相關(guān)的研究，目前的電流控制方式已經(jīng)有很多選擇。但是類比的 LLC 控制 IC 大都還是單電壓控制，或者只能實現(xiàn)其中某一種控制方式，這時便可以看到全數(shù)控制的電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢。

LLC諧振半橋變換器可以在寬電壓范圍內(nèi)全負載條件下實現(xiàn)軟開關(guān)，在整個工作過程中，實現(xiàn)初級MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）和次級整流二極管零電流開關(guān)（ZCS）。因此可以達到較高的效率和功率密度，而且在負載和輸入電壓范圍變化較大的情況下，其開關(guān)頻率變化較小。

在各種類型的諧振轉(zhuǎn)換器中，圖 1 中的 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 因其更好的輸出調(diào)節(jié)、更低的循環(huán)電流和更低的電路成本而備受關(guān)注。

圖 1：具有交流輸入/輸出電壓的 LLC-SRC

串聯(lián)諧振特性允許 DC/DC LLC-SRC 中的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（如圖 2 所示）具有非常寬的零電壓開關(guān) (ZVS) 區(qū)域；因此，LLC-SRC 可以在前端電源應(yīng)用中輕松實現(xiàn)超過 94% 的效率，并在高開關(guān)頻率下工作。

圖 2：LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器

與 PWM 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計過程類似，設(shè)計 LLC-SRC 的第一步是選擇滿載時所需的工作頻率。其余步驟不同，因為諧振轉(zhuǎn)換器中沒有占空比因數(shù)。LLC-SRC 中的占空比保持不變，理想情況下為 50%。圖 3 顯示了來自TI 電源設(shè)計研討會主題“設(shè)計 LLC 諧振半橋電源轉(zhuǎn)換器”的 LLC-SRC 設(shè)計流程圖。

圖 3：LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計流程圖

請注意，M g是直流電壓增益，L n是 L m和 L r的比值，品質(zhì)因數(shù)定義為公式 1：

此外，f n是定義為 f n = f sw /f o的歸一化頻率，其中

M g /Q e和 M g /f n圖表中的增益曲線來自圖 1 所示的 LLC 諧振回路，它也是 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的線性化電路。

圖 3 提供了 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的簡單電路參數(shù)選擇過程。通過檢查增益曲線上的 f n_min、 f n_max位置，您將能夠在所有輸入條件下在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計具有 ZVS 的高效 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器。

在設(shè)計 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器時，請記住：

· f n_min需要始終高于 M g /f n圖表中的增益曲線的脊。這是為了確保 MOSFET 保持 ZVS。

· LLC-SRC 效率只能在一個操作點進行優(yōu)化。當f sw = f o時，串聯(lián)L r和C r變?yōu)榱阕杩梗▓D4）；轉(zhuǎn)換器在這一點上具有最佳效率。您需要確定要優(yōu)化的線路/負載條件，并確保您的開關(guān)頻率在該條件下處于諧振頻率。

圖 4：當 f sw = f o時具有交流輸入/輸出電壓的 LLC-SRC