高頻LLC轉(zhuǎn)換器提升電源效率減少PCB面積

在高壓電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計中，諸如電源噪聲、開關(guān)頻率、開關(guān)損耗、電源體積、可靠性等問題一直是關(guān)鍵所在。與其它的高壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，LLC轉(zhuǎn)換器因效率高且設(shè)計的電源體積小，在高壓電源適用領(lǐng)域一直受到設(shè)計師的青睞，不過其設(shè)計難度也非常大。Power Integrations公司(PI)不久推出的HiperLCS系列LCS700-708高壓LLC電源IC，將變頻控制器、高壓端和低壓端驅(qū)動器以及兩個MOSFET同時集成到了一個低成本封裝中，具有出色的設(shè)計靈活性，其最高負(fù)載效率超過97%，并利用高頻開關(guān)來減小變壓器的尺寸和輸出電容的占板面積，由此達(dá)到縮小電源尺寸的目的。圖1所示為HiperLCS功率級的電路簡圖，其中LLC諧振電感集成在變壓器中。變頻控制器通過零電壓(ZVS)開關(guān)功率MOSFET，消除開關(guān)損耗，從而達(dá)到高效率。
設(shè)計結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵特性

　　LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計比較復(fù)雜，最大的挑戰(zhàn)是需要合理配置所有電路以消除交叉?zhèn)鲗?dǎo)，并對各種寄生元件進(jìn)行精確的控制。據(jù)PI產(chǎn)品市場經(jīng)理Andrew Smith介紹，HiperLCS集成了關(guān)鍵元件，包括多功能控制器、高壓端和低壓端柵極驅(qū)動以及兩個功率MOSFET的LLC半橋功率級(可最多省去30個外圍元件)，并在制造過程中進(jìn)行了微調(diào)以優(yōu)化驅(qū)動器中MOSFET的配對。該器件中的變頻控制器提供零電壓開關(guān)，從而消除了開關(guān)損耗。

　　HiperLCS器件的最高工作頻率為1MHz，額定穩(wěn)態(tài)工作頻率可達(dá)500kHz，并允許在輸出環(huán)路中使用低成本的SMD陶瓷電容，從而取代體積大、可靠性差的電解電容，同時還可降低所需磁芯的尺寸。它還可在750kHz峰值開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)出色的變壓器利用率。另外，HiperLCS器件具有精確的占空比對稱性可平衡輸出整流管電流，從而提升效率。在300kHz下典型值為50% ±0.3%。

　　考慮到設(shè)計需求的不同，HiperLCS器件有兩種使用方式。對于高效率設(shè)計，其諧振控制電路可提供極低的功率損耗，能使設(shè)計在66kHz額定開關(guān)頻率下達(dá)到97%以上的效率。如果成本和尺寸決定設(shè)計準(zhǔn)則，可優(yōu)先采用高開關(guān)頻率。在后面這種情況下，仍能實(shí)現(xiàn)較高效率，例如，在250kHz(獲得最大功率的頻率)下效率可達(dá)96%。 此外，HiperLCS器件允許用戶通過設(shè)置死區(qū)時間和軟啟動等關(guān)鍵電路參數(shù)來獲得最佳方案，從而達(dá)到改進(jìn)設(shè)計的目的。在設(shè)計過程中，設(shè)計工程師可以應(yīng)用PI的實(shí)時設(shè)計和建模工具PI Xls簡化電源設(shè)計。

　　保護(hù)及封裝

　　與PI其它電源IC一樣，HiperLCS具有全面的故障處理及電流限制，包括可編程的電壓緩升/跌落閾值和遲滯，欠壓(UV)及過壓(OV)保護(hù)，可編程的過流保護(hù)(OCP)，短路保護(hù)(SCP)和過熱保護(hù)(OTP)。在封裝上，HiperLCS系列采用的是適合高功率及高頻率的超薄eSIP-16C封裝，該封裝能夠降低裝配成本并減小PCB布局的環(huán)路面積，可通過一個夾片快速安裝到散熱片，可省去多個用于外部MOSFET的TO220封裝(圖2)。其外露的散熱金屬部分與地電位相連，使得封裝和散熱片之間無需Silpad導(dǎo)熱絕緣墊片。eSIP-16C的封裝引腳交錯排列，可簡化PCB的走線路徑并滿足高壓爬電要求，HiperLCS的推出完善了PI端到端的完整的電源產(chǎn)品，包括EMI濾波電路、PFC級和主電源及待機(jī)級電源。“采用HiperLCS器件的設(shè)計可輕松超出ENERGY STAR4.0和5.0，以及80PLUS金級和銀級PC能效標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的性能基準(zhǔn)。”Andrew表示，“HiperLCS可以與HiperPFS PFC等產(chǎn)品配合設(shè)計功能完整、高效率、低元件數(shù)的電源，可應(yīng)用于服務(wù)器、工控、LCD電視機(jī)、LED路燈和室外照明、打印機(jī)和音頻放大器等75W~440W的高壓電源。”