基于UC3863控制的LLC諧振變換器的設(shè)計及仿真

摘要：設(shè)計了一種以UC3863芯片為核心控制芯片的開關(guān)電源，其電路采用半橋結(jié)構(gòu)的LLC諧振電路，帶有PFC電路，且整個電路設(shè)計有自限流功能。分析了LLC諧振變換器整個電路的工作原理及自限流功能的實現(xiàn)。結(jié)合交流220 V輸入1KW輸出電路，分別對PFC電路和主電路進行仿真，仿真結(jié)果驗證了該設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；LLC諧振；PFC電路；自限流；UC3863

    隨著通信產(chǎn)品的小型化發(fā)展，對開關(guān)電源的性能要求方面也越來越高，促使電源向高頻、高可靠、低耗和小型化的趨勢發(fā)展，同時促進開關(guān)電源在高新技術(shù)領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。在開關(guān)電源向高頻化和小型化的發(fā)展過程中，其中開關(guān)損耗問題是制約其發(fā)展的一個重要因素，軟開關(guān)技術(shù)能夠較好的解決開關(guān)損耗的問題。
    LLC諧振變換器以其拓撲結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)初級開關(guān)管零電壓開通和次級輸出整流管的零電流關(guān)斷，開關(guān)損耗低、可高頻化，副邊整流二極管電壓應(yīng)力低，在高輸出電壓應(yīng)用情況下可以實現(xiàn)較高的效率等優(yōu)點成為近年來的一個研究熱點。但是LLC諧振變換器的拓撲在其實際的應(yīng)用過程中還存在著許多問題，當(dāng)出現(xiàn)電路啟動、負載過流或短路情況時如何限制電路中的電流以防止電路損壞就是其中的一個主要問題。在文獻中提出了一種具有自限流功能的新型拓撲結(jié)構(gòu)以解決此問題。本文對此拓撲進行研究，并以此設(shè)計了一個具有自限流功能的LLC諧振電源，并用軟件對其電路進行了仿真。

1 LLC諧振通信電源的電路組成
    LLC諧振變換器的電路主要由整流橋、PFC電路、DC／DC變換、輸出整流濾波電路以及控制反饋保護回路等環(huán)節(jié)組成，是一個完整的閉合系統(tǒng)。LLC諧振電源的系統(tǒng)圖如圖1所示。

    其中PFC電路是由UC3854芯片為核心控制芯片構(gòu)成的經(jīng)典電路，在整流電路后加入LC諧振，輸出直流電壓穩(wěn)定在400 V。DC／DC變換電路采用LLC諧振電路，利用電路發(fā)生諧振時，電流或電壓周期性過零點，使得開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開通或關(guān)斷，從而實現(xiàn)軟開關(guān)，達到降低開關(guān)損耗的目的。

2 控制電芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    圖2所示為控制芯片UC3863的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。查其數(shù)據(jù)手冊可知，UC383是一款零電壓準(zhǔn)諧振變換器變頻控制芯片，可以產(chǎn)生最小10 kHz到最大1 MHz之間的可變的頻率信號。

    芯片UC3863內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括一個誤差放大器(E／A)，一個壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生最大、最小的可變頻率，一個過零檢測比較器的單穩(wěn)定時發(fā)生器(OneShot)，兩個輸出驅(qū)動器，一個5 V偏置電壓發(fā)生器，一個欠壓鎖定電路(UVLO)以及故障軟啟動電路。欠壓鎖定(UVLO)的作用是Vcc電壓低于UVLO的上限值時芯片輸出為低電平。只有超過上限值時，5 V電源才會工作提供電源輸出。故障軟啟動電路具有軟啟動和重啟延時的功能，以及提供了一個精密參考，可設(shè)定VCO的最大、最小頻率分別為
   
    兩路推拉驅(qū)動電流的峰值為1 A，具有過零檢測、死區(qū)設(shè)置、欠壓封鎖等功能。UC3863兩路輸出的差值經(jīng)變壓器驅(qū)動功率開關(guān)管。

3 主電路及自限流功能的實現(xiàn)
    圖3所示為LLC諧振變換器主電路圖。其構(gòu)成主要有功率管S1和S2；變壓器T1；諧振元件，包括諧振電容Cr，電感Lr和激磁電感Lm；半橋全波整流二極管D1和D2以及輸出電容C0。

    由上圖可知，具有自限流功能的LLC諧振變換器與傳統(tǒng)的LLC變換器相比，僅多了1個變壓器T2和2個二極管D3及D4，構(gòu)成自限流電路。其工作原理為：在正常工作情況下，自限流電路不起作用，電路和傳統(tǒng)的諧振電路工作原理相同。當(dāng)過流和短路情況出現(xiàn)時，諧振電容兩端的電壓升高，致使變壓器T2的電壓隨之升高。當(dāng)變壓器T2副端電壓Vo超過輸出電壓時，自限流電路二極管D3、D4交替導(dǎo)通，從而使諧振電容電壓被鉗位，此時諧振電流也隨之被鉗位。當(dāng)此諧振變換器短路工作時，特別是在控制上結(jié)合變頻方法時，當(dāng)頻率高于諧振頻率時比傳統(tǒng)的LLC諧振變換器短路電流要小。在控制電路中引入限流環(huán)，當(dāng)電路中突然出現(xiàn)過流情況時，限流環(huán)起作用使輸出電壓降低，從而可以進一步限制電路中電流的上升。

4 主要元件參數(shù)計算
    輸入電壓范圍：；額定輸入電壓：。輸出電壓電流：Vo=50 V，Io=20 A；輸出功率：Po=1 kW；諧振頻率fr=100kHz。
    1)理論變壓比
   
    其中Vd為二極管壓降
    2)最高、最低輸入電壓增益
   
    3)計算輸出負載電阻和等效負載阻抗
   
    4)計算品質(zhì)因數(shù)Q，開關(guān)最大頻率fmax、最小頻率fmin以及諧振網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)
    設(shè)定k=3
   
    根據(jù)計算，選定的參數(shù)如下：變壓器比16：4：4；開關(guān)管Q1、Q2：ixfk44n50；輸出整流管D1-D4：ixfk44n50。

5 半橋諧振開關(guān)電源的實現(xiàn)
    圖4所示為以UC3854芯片為核心控制芯片的PFC電路圖，其交流輸入范圍為150～250 V，額定交流輸入220 V，額定直流輸出400 V。

    圖5所示為LLC諧振開關(guān)電源工作電路圖。電路的輸出電壓經(jīng)采樣后接到芯片IN端，輸出電流經(jīng)過電流反饋環(huán)采樣，與1m393的給定電壓比較后接入芯片F(xiàn)ault端。將芯片(E／A)的負端接到芯片Soft-Ref腳。當(dāng)電路中諧振電流過大時，1m393輸出高電平，當(dāng)芯片F(xiàn)ault腳電壓超過3 V從而使芯片輸出低電平，即芯片被關(guān)斷。同時，電路中諧振電流上升使自限流電路開始工作，二極管D3和D4交替導(dǎo)通，諧振電容電壓被鉗位，從而使諧振電流被鉗位，芯片重新啟動。

6 電路仿真波形及分析
    根據(jù)以上方案，設(shè)計了功率為1 kW用于通信電源的LLC諧振開關(guān)電源。其規(guī)格參數(shù)如下：交流150～250V輸入，輸出直流電壓為50 V，功率1 kW。以此樣機為基準(zhǔn)，用Saber軟件對PFC電路及LLC諧振變換主電路進行仿真。
    1)PFC電路的仿真波形
    交流輸入電壓為150 V、220 V及250 V時的PFC電路直流輸出電壓波形為圖6所示，由此波形可以看出，PFC電路能夠穩(wěn)定輸出直流電壓。

    2)LLC諧振主電路仿真波形
    圖7所示是電路分別在額定負載和空載下驅(qū)動電壓、諧振電壓、電流波形。由波形圖可知，在負載發(fā)生變化時驅(qū)動電壓沒有發(fā)生變化；當(dāng)輸出滿載時，變換器工作在諧振點附近，諧振電感和諧振電容諧振，勵磁電感不參與諧振，諧振電流波形近似半個正弦波；當(dāng)輸出負載為空載時，諧振電流呈現(xiàn)三角波，該電流為勵磁電感電流，它為主電路開關(guān)管實現(xiàn)ZVS創(chuàng)造條件。

    圖8所示為額定輸入400 V時，在短路情況下測得的主變壓器原邊電流波形和諧振電容兩邊電壓波形。在短路時，諧振電壓以及原邊電流穩(wěn)定自限流電路發(fā)揮作用。

7 結(jié)論
    介紹了基于UC3863控制的LLC諧振變換器。分析了整個電路的工作原理以及自限流功能的實現(xiàn)，其主開關(guān)管和整流管均能實現(xiàn)軟開關(guān)，減少了開關(guān)損耗。最后通過仿真分析，驗證了此設(shè)計的可行性。