在下區(qū)域和上區(qū)域工作的LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

最近，帶LED背光單元的LCD電視的市場(chǎng)開始大幅增長(zhǎng)，眾多制造商紛紛致力于研發(fā)更纖薄高效的解決方案。多種類型的LED TV主功率級(jí)拓?fù)湎嗬^推出，比如非對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器。其中，LLC諧振轉(zhuǎn)換器雖然相比其他轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，IC制造商已開發(fā)出用于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計(jì)工具，讓其設(shè)計(jì)變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注?，F(xiàn)在，LLC諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為L(zhǎng)ED TV最流行的主功率級(jí)拓?fù)洹?/p>

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點(diǎn)有：（1）在整個(gè)負(fù)載范圍(包括輕載)下都是以ZVS(zero voltage switching，零電壓開關(guān))條件工作，從而實(shí)現(xiàn)高效率；（2）工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計(jì)；（3）初級(jí)端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級(jí)端兩個(gè)二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個(gè)不同類型的ZVS區(qū)域之內(nèi)。一個(gè)被稱為“上區(qū)域(above region)”(或上諧振工作區(qū)域)，這里，初級(jí)端的環(huán)流變小，但次級(jí)端上的二極管為硬開關(guān)。另一個(gè)是“下區(qū)域”(或下諧振工作區(qū)域)，這時(shí)，次級(jí)端上的二極管可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。本文將簡(jiǎn)單介紹LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理和工作區(qū)域，此外還將討論其設(shè)計(jì)步驟。

圖1  LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理
圖1所示為L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個(gè)帶MOSFET的控制器、一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)整流器網(wǎng)絡(luò)?？刂破饕?0%的占空比交替為兩個(gè)MOSFET提供門信號(hào)，隨負(fù)載變化而改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓Vout，這稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容。諧振電感Lr、Lm與諧振電容Cr主要作為一個(gè)分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(見式1)，以獲得所需的輸出電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個(gè)采用如圖2所示的分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感Lm與漏感Llk構(gòu)成。而整流器網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波形進(jìn)行整流，然后傳輸?shù)捷敵黾?jí)。
  (1)
式中，Vd基本近似等于Vin/2，而Rac基本近似等于8n2Vout/2πIout。
式（2）給出了采用如圖2所示的實(shí)際變壓器時(shí)，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在式（2）中可觀察到兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)由Lp和Cr決定，記為ωp，另一個(gè)由Lr和Cr決定，記為ωr。利用這個(gè)公式，可獲得LLC諧振轉(zhuǎn)換器隨頻率和負(fù)載變化的增益特性曲線，如圖3所示。

圖2 采用分段骨架的集成式變壓器(a)，變壓器等效電路(b)

圖3 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的增益曲線和工作區(qū)域

圖3中，每條曲線上以符號(hào)‘＋’標(biāo)注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個(gè)諧振頻率ωp和ωr之間。當(dāng)輸出負(fù)載越來越大時(shí)，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動(dòng)。同時(shí)，以符號(hào)‘×’標(biāo)注的ωr時(shí)的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負(fù)載的變化而變化。增益曲線說明在ZVS狀態(tài)下，隨著諧振網(wǎng)絡(luò)的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。
(2)
式中。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域
如圖3所示，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域可標(biāo)注為“＋”的峰值增益和標(biāo)注為“×”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點(diǎn)為界，左邊是ZCS(零電流開關(guān))區(qū)(或稱為電容區(qū))，右邊是ZVS(零電壓開關(guān))區(qū)(或稱為電感區(qū))。在ZVS區(qū)，諧振頻率ωr的左邊是下區(qū)(below region)，右邊是上區(qū)域(above region)。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS區(qū)時(shí)，在開關(guān)瞬間有大量反向恢復(fù)電流流經(jīng)MOSFET，故LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)該工作在ZVS區(qū)，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET的LLC諧振轉(zhuǎn)換器進(jìn)入ZCS區(qū)。

如上所述，根據(jù)工作頻率是大于ωr還是小于ω，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在上區(qū)域或下區(qū)域。這還取決于兩種工作模式的不同特性。當(dāng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為上區(qū)域工作時(shí)，流到MOSFET的環(huán)流小于下諧振工作上的，MOSFET的傳導(dǎo)損耗因此減小，從而提高效率。不過，次級(jí)端上的二極管為硬開關(guān)，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復(fù))二極管來防止嚴(yán)重的反向恢復(fù)電流。鑒于此，像便攜式設(shè)備LCD的電源這樣的低壓應(yīng)用有時(shí)會(huì)考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級(jí)端上的二極管進(jìn)行軟導(dǎo)通/關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復(fù)二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應(yīng)用的首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。[!--empirenews.page--]

因此，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格和特性來選擇LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域的選擇步驟。

下諧振工作的設(shè)計(jì)步驟
圖4所示為一個(gè)LLC諧振轉(zhuǎn)換器在100%和10%負(fù)載條件下的頻域增益曲線。圖中，fop@10%load和fop@100%load 為L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率，分別是在100%和10%負(fù)載條件下調(diào)節(jié)最大輸入電壓Vin,max對(duì)應(yīng)的額定輸出電壓。Mfr代表諧振頻率fr下的增益，是固定的，不隨負(fù)載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區(qū)域劃分為上/下諧振工作的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，當(dāng)把Vin,max條件下所需增益設(shè)定至大于Mfr，則即使輸入電壓和輸出負(fù)載都減小，所需增益也必然不會(huì)小于Mfr。這意味著LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率小于對(duì)應(yīng)Mfr的fr，故它總是工作在下區(qū)域。下面介紹一個(gè)LED TV電源的設(shè)計(jì)步驟。其輸入電壓由PFC(功率因數(shù)校正)提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為350、380和400Vdc，輸出規(guī)格為120V/1.5A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個(gè)MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導(dǎo)體專為諧振半橋型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

圖4 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的頻域增益曲線

● 步驟1 選擇m和fr，并計(jì)算Mfr
利用式2，諧振頻率fr下的諧振增益Mfr可由下式求得：
                  (3)
式3中，m和fr都由設(shè)計(jì)人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，因?yàn)檫@時(shí)要在集成式變壓器中獲得高值Lr實(shí)際上是相當(dāng)困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr比Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4～7之間是比較合理的。

當(dāng)m和fr分別設(shè)置為6kHz和100kHz時(shí)，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。

● 步驟2  確定最大增益

利用公式（4）可求出所需最小和最大增益：
Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax=（Vvirtual/Vin，min）Mfr             (4)
式中，Mmin和Mmax分別為最小和最大增益。Vvirtual是對(duì)應(yīng)于諧振頻率的有效輸入電壓。

如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual被設(shè)定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設(shè)計(jì)出的LLC諧振轉(zhuǎn)換器就會(huì)工作在下諧振工作區(qū)域。

假定Virtual設(shè)為420Vdc并考慮到余裕，Mmin和Mmax可采用式4計(jì)算：
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31

考慮到因負(fù)載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應(yīng)具有一定余裕，增加10%的余裕是比較恰當(dāng)?shù)模屎侠淼腗max值為1.45。

● 步驟3  確定集成式變壓器的匝數(shù)比

利用步驟2中求得的有效輸入電壓Vvirtual和合理的諧振增益Mfr，集成式變壓器的匝數(shù)比可由式（5）求得：
n=Vvirtual/2(Vout+VF)         (5)
式中，Vout和VF分別是次級(jí)端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。如果需要調(diào)節(jié)匝數(shù)比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓Vvirtual即可。在步驟2中，Vvirtual已被設(shè)為420Vdc。VF取1Vdc，集成式變壓器的匝數(shù)比為
n=420/2(120+1)×1.1=1.9

● 步驟4 確定諧振網(wǎng)絡(luò)

圖5 根據(jù)峰值增益和不同m值找出正確的Q因子的查找表

利用圖5所示的這種查找表，能夠根據(jù)峰值增益和不同的m值找出正確的Q因子。利用m值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖5中選出正確的Q因子。一旦確定了正確的Q因子，諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)就可利用公式（6）求出。
Cr=1/(2πQfrRac），Lr=1/(2πfr)2Cr，Lp=Lr×m            (6)
這里，Cr和Lr分別為諧振電容和電感，Lp為集成式變壓器的初級(jí)端電感。

在前面的步驟中，m值選為6，考慮到了余裕的所需最大增益Mmax求得為1.45。通過圖5找出的Mmax對(duì)應(yīng)的正確Q因子為0.35。當(dāng)諧振頻率為100kHz時(shí)，諧振電容Cr為19.1nF。

考慮到出廠電容的標(biāo)準(zhǔn)值，一個(gè)22nF的電容就足夠了，最后可得Lr=115μH，Lp=690μH。