電源諧振半橋轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)詳解 —電路圖天天讀（219）

　　和傳統(tǒng)脈寬調(diào)制（PWM）電源轉(zhuǎn)換器不同的是，諧振轉(zhuǎn)換器通過頻率調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出電壓。因此，諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法也與PWM轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法有所差異。在各種類型的諧振轉(zhuǎn)換器中，圖1的LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（LLC-SRC）格外引人矚目，因?yàn)樗懈鼜?qiáng)的輸出調(diào)節(jié)功能、更小的循環(huán)電流和更低的電路成本。

　　圖1：具有交流（AC）輸入/輸出電壓的LLC-SRC

　　串聯(lián)諧振特性允許直流（DC）/DC LLC-SRC中的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示）擁有很寬范圍的零電壓開關(guān)（ZVS）；因此，LLC-SRC能在前端電源應(yīng)用中輕松實(shí)現(xiàn)超過94％的效率，并能在高開關(guān)頻率下運(yùn)行。

　　圖2：LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器

　　和PWM轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過程相似，當(dāng)設(shè)計(jì)LLC-SRC時(shí)，第一個(gè)步驟是選擇滿負(fù)載情況下所需的工作頻率。剩下的步驟就不同了，因?yàn)橹C振轉(zhuǎn)換器里沒有占空比因數(shù)。在LLC-SRC中占空比保持不變，是50％，非常理想。圖3展示了LLC-SRC的設(shè)計(jì)流程圖（來自TI電源設(shè)計(jì)研討會(huì)主題“設(shè)計(jì) LLC諧振半橋電源轉(zhuǎn)換器”）。

　　圖3：LLC諧振半橋變換器設(shè)計(jì)流程圖

　　Mg/Qe和Mg/fn圖表中的增益曲線是由圖1所示的LLC諧振槽路（它也是LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器的線性化電路）衍生而來的。

電子發(fā)燒友六月《嵌入式技術(shù)特刊》，更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，馬上下載閱覽

　　圖3提供了LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單電路參數(shù)選擇過程。通過檢查增益曲線上的fn_min、fn_max位置，您就能設(shè)計(jì)出在所有輸入條件下開關(guān)網(wǎng)絡(luò)上均具有ZVS的高效LLC諧振半橋變換器。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)LLC諧振半橋變換器時(shí)，請(qǐng)謹(jǐn)記：

　　任何時(shí)候，在Mg/fn圖表中fn_min都需要高于增益曲線的脊線。這是為確保金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）能保持ZVS狀態(tài)。LLC-SRC的效率只能在一個(gè)操作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)fsw= fo時(shí)，串聯(lián)Lr和Cr變成零阻抗?fàn)顟B(tài)（圖4）；該轉(zhuǎn)換器在那個(gè)點(diǎn)具有最高的效率。您需要決定自己想優(yōu)化的線路/負(fù)載條件，并確保您的開關(guān)頻率在那樣的條件下是諧振頻率。

　　圖4：當(dāng)fsw=fo時(shí)具有AC輸入/輸出電壓的LLC-SRC

　　等離子和液晶電視如今已經(jīng)走入了千家萬戶，這兩種電器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)比較特殊，只能采用有源或者無源PFC模式，并且需要能夠長(zhǎng)時(shí)間在無散熱通風(fēng)的環(huán)境下工作。這就要求電源不僅要擁有高功率密度和平滑的電磁干擾信號(hào)，還要盡量少的使用元器件。而在這些方面，半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器擁有諸多的優(yōu)勢(shì)。

　　半橋LL諧振電容和諧振電感的配置

　　單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。對(duì)于單諧振電容配置而言，它的輸入電流紋波和均方根（RMS）值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓（600~1，500V）的諧振電容。不過，這種方案也存在尺寸小、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

　?。╝）單諧振電容;（b）分體諧振電容。

　　圖1：半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置

　　分體諧振電容相較于單個(gè)諧振電容而言，其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流，且所用電容的電容量?jī)H為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管（D3和D4）進(jìn)行簡(jiǎn)單、廉價(jià)的過載保護(hù)時(shí)，這種方案中，諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。顧名思義，半橋LLC轉(zhuǎn)換器中包含2個(gè)電感（勵(lì)磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls）。根據(jù)諧振電感位置的不同，諧振回路也包括兩種不同的配置，一種為分立解決方案，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。

　　將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)的靈活性，令設(shè)計(jì)人員可以靈活設(shè)置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不過，這種解決方案的缺點(diǎn)在于，變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組間的絕緣變得復(fù)雜，并且繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。

　?。╝）分立解決方案;（b）集成解決方案。

　　圖2：諧振儲(chǔ)能元件的兩種不同配置

　　在另一種集成的解決方案中，變壓器的漏電感被用作諧振電感（LLK=LS）。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件，而且會(huì)使得開關(guān)電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級(jí)和次級(jí)繞組之間可以方便地實(shí)現(xiàn)絕緣。不過，這種解決方案的靈活性相對(duì)較差（可用的LS電感范圍有限），且其EMI幅射更強(qiáng)，而初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性

　　編輯點(diǎn)評(píng)：通過對(duì)實(shí)例的講解，介紹了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的部分要點(diǎn)和技巧，如配置、工作狀態(tài)、增益特性等等，還對(duì)一些特定的參數(shù)進(jìn)行了確定，希望本篇文章能夠幫助大家增進(jìn)對(duì)半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的了解。