LLC諧振回路電流(tank current)分析與測(cè)量
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時(shí)間：2017-02-27
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本周期內(nèi)諧振回路電流的變化被稱(chēng)作?iLr，其如下所示：
一般而言，諧振回路電流分析常常會(huì)忽略?iLr，因?yàn)樗闹敌∮谥C振回路電流的峰值，并且這種過(guò)渡周期遠(yuǎn)短于開(kāi)關(guān)周期。但是，這種短過(guò)渡周期會(huì)給測(cè)量電路帶來(lái)噪聲。前述方程式可以驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果是否為真。當(dāng)為假時(shí)，應(yīng)改進(jìn)測(cè)量電路。
諧振回路電流測(cè)量方法
要求電流波形時(shí)，可使用三種方法來(lái)測(cè)量電流。
小容限功率電阻
電流變換器（CT）
直接通過(guò)電流探針來(lái)測(cè)量諧振回路電流
第一種方法是小容限功率電阻，其與諧振回路中的其它組件串聯(lián)。這種電阻必須擁有高分辨率和良好的溫度性能。正常情況下，諧振回路通過(guò)一個(gè)端子連接接地，這樣可以減少測(cè)量的共模噪聲。另外，它還是一種測(cè)量諧振回路電流的簡(jiǎn)單方法。但是，它會(huì)增加功耗，特別是在強(qiáng)電流條件下。另一方面，它改變了諧振參數(shù)，并使其偏離初始設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于要求高性能，因此它的成本價(jià)格也很高。
圖 4 電流變換器等效模型
第二種方法是電流變換器（CT），其一次側(cè)與諧振回路串聯(lián)。相比功率電阻（第一種方法），這種方法的電阻較低，并且其功耗也低于功率電阻方法。另外，相比諧振回路的Lr和Lm，CT的磁電感小到可以忽略不計(jì)。但是，由于許多寄生參數(shù)原因，CT并非是一種最佳解決方案。圖4顯示了CT的等效模型。由于二次漏電感遠(yuǎn)大于一次漏電感，因此漏電感設(shè)置在二次側(cè)。
圖4中：
Cps為一次線圈和二次線圈之間的寄生電容。
Cp為一次側(cè)的寄生電容。
Cs為二次側(cè)的寄生電容。
Lm為CT的磁電感。
R為采樣電阻。
當(dāng)使用硬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟或者關(guān)閉MOSFET時(shí)，電路狀態(tài)立刻劇烈變化。這時(shí)，產(chǎn)生大量的開(kāi)關(guān)噪聲。這種噪聲通過(guò)Cps耦合到CT的二次側(cè)。另外，噪聲還流經(jīng)Cp和Cs。Lm和Lleak也受到影響。如果使用通用電壓探針來(lái)測(cè)量R的電壓，則通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電壓峰值；但是，如果使用差分電壓探針，則Cps耦合的共模噪聲被消除，并且僅剩下差模噪聲。電壓峰值得到了有效降低。然而，差模電壓探針測(cè)量的波形仍非真正的電流波形。
第三種方法是直接使用電流探針測(cè)量諧振回路電流。正常情況下，電流探針擁有較高的帶寬，足以進(jìn)行電源系統(tǒng)檢測(cè)。例如，Tektronix設(shè)計(jì)的TCP202便是一種DC耦合電流探針，其擁有高達(dá)50MHz的DC帶寬。LLC諧振回路電流頻率為100kHz。電流探針具有較高的性能，可以顯示近似真實(shí)的電流波形。只需要一條短線，把它與回路中的其它組件串聯(lián)在一起，這樣便組成了一個(gè)最低成本的電流波形觀察方法。但是，電流探針測(cè)量的電流信號(hào)不能用于其它目的，例如：回路控制、保護(hù)電路等。
UCC25600 300W EVM演示了前面的分析。圖5中，使用不同方法對(duì)諧振回路電流進(jìn)行測(cè)量。CH2和CH3均由CT測(cè)量，差別是，“差分”電壓探針用于對(duì)CH2中CT輸出端的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，而“共?！彪妷禾结槃t用于對(duì)CH3中CT輸出端的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣。CH4通過(guò)電流探針直接測(cè)量。圖5（b）和5（c）中，單獨(dú)測(cè)量CH2和CH3，但在圖5（d）中，同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量。在圖5（a）中，相比CH4，可在CH3中看到大電流脈沖，其為嚴(yán)重噪聲。在圖5（b）和圖5（c）中，相比CH3，CH2的電流脈沖得到極大降低，因?yàn)橄斯材Ｔ肼暎坏?，差模噪聲仍然存在，因此CH2的電流脈沖大于CH4。在圖5（d）中，CH2和CH3同時(shí)被測(cè)量，因?yàn)樵趦?nèi)部示波器，所有示波器探針接地均連接。CH3的共模噪聲會(huì)影響CH2。圖5（d）中CH2和CH3的波形相同，其表明在圖5（b）和圖5（c）中，CH3和CH2的共模噪聲結(jié)果相同。
圖5 使用不同方法對(duì)諧振回路電流進(jìn)行測(cè)量
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，前述分析得到了證實(shí)。在低電流條件下使用功率電阻方法，而采樣電流信號(hào)可用于實(shí)現(xiàn)其它功能。在高電流條件下使用CT，采樣電流信號(hào)可用于實(shí)現(xiàn)其它功能。如果給CT添加補(bǔ)償和濾波器，則效果更好。在所有情況下都可以使用電流探針，但其采樣電流信號(hào)不可以用于其它功能。
請(qǐng)注意：推薦使用小范圍電流探針來(lái)測(cè)量低電流。同樣，推薦使用大范圍電流探針來(lái)測(cè)量高電流。
實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證第2小節(jié)的分析結(jié)果，我們使用TI的LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器300W評(píng)估模件來(lái)獲得7組數(shù)據(jù)。所有參數(shù)均經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，Lr = 55 μH、Lm = 280 μH、Cr = 24 nF、Cs1 = 340 pF，并且必須測(cè)量出Vin, VCr和ILr。
圖6顯示了諧振回路電流、DS電壓和VCr（ZVS期間波形），其中，CH2為諧振回路電流波形。在圖6（a）中，CH1為DS電壓波形。在圖6（b）中，CH1為Cr波形的電壓。通過(guò)電流探針測(cè)量諧振回路電流，并使用差分電壓探針來(lái)測(cè)量DS電壓和Cr電壓。
表1列出了所有數(shù)據(jù)：ILr1為ZVS之初ILr的值，ILr2為ZVS結(jié)束時(shí)ILr的值，而ΔIcal則為通過(guò)方程式13到方程20計(jì)算的結(jié)果。由于這些方程式都太復(fù)雜，因此我們使用Mathcad來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)比ΔI和ΔIcal我們可以知道，ΔIcal接近于ΔI，這表明第2小節(jié)中參考文獻(xiàn)【3】的分析是正確和合理的。ΔIcal和ΔI的差值由寄生參數(shù)和測(cè)量誤差所造成。
圖 6 諧振回路電流、DS電壓及ZVS期間VCr波形
表 1 參數(shù)值
結(jié)論
LLC可以提供寬輸入電壓范圍的高效率。我們分析了LLC的諧振回路電流，并通過(guò)大量方程式說(shuō)明了所有電能參數(shù)的關(guān)系。文章討論了三種電流測(cè)量方法及其應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了分析的正確性。
參考文獻(xiàn)
【1】《寬負(fù)載范圍LLC諧振轉(zhuǎn)換器的高效率優(yōu)化》，作者：Ya Liu。美國(guó)弗吉尼亞州布萊克斯堡：2007年弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)碩士學(xué)位論文。
【2】《8引腳高性能諧振模式控制器》。2008年9月《TI UCC25600產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)》（SLUS846B），2011年7月修訂。
【3】LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器300W評(píng)估模塊。2009年4月《TI 用戶指南》（SLUU361）。
評(píng)論