在完全工作條件下進(jìn)行測(cè)試之前測(cè)量 LLC 諧振回路

半橋串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可為超過 100W 的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。最常見的諧振拓?fù)?(圖 1) 是由串聯(lián)磁化電感器、諧振電感器和電容器（縮寫為 LLC）組成的諧振回路。參數(shù)值的選擇決定了諧振回路的增益曲線形狀，進(jìn)而影響諧振轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的運(yùn)行。

圖 1. 具有分裂諧振電容器的半橋 LLC 功率級(jí)，參數(shù)值的選擇決定了諧振回路的增益曲線形狀在向電路通電之前需要驗(yàn)證該曲線。來源：德州儀器  (TI)

確定一組參數(shù)并選擇元件后，必須要在向電路通電之前驗(yàn)證增益曲線。在本期電源設(shè)計(jì)小貼士中，我將介紹一種測(cè)量諧振回路增益曲線的方法，并說明如何解讀結(jié)果，內(nèi)容中包括一些用來展示該方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性的示例。

頻率響應(yīng)分析器會(huì)向任意電路注入一個(gè)交流小信號(hào)，然后測(cè)量系統(tǒng)中兩點(diǎn)的電壓，以便在一個(gè)確定頻率范圍內(nèi)確定信號(hào)增益和相位延遲。雖然頻率響應(yīng)分析器最常用于測(cè)試控制環(huán)路，但該設(shè)備也可以用來測(cè)量 LLC 轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)增益。圖 2 顯示了此類測(cè)量的接線圖。

圖 2. 諧振回路連接到頻率響應(yīng)分析器以重建增益曲線圖的接線圖。功率級(jí)的增益圖可通過展示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值而得出。來源：德州儀器  (TI)

半橋 LLC 具有一對(duì)諧振電容器，其中一個(gè)連接到輸入電壓，另一個(gè)連接到初級(jí)接地。要在此電路中運(yùn)行測(cè)試，諧振電容器必須相互并聯(lián)，并且與初級(jí)繞組串聯(lián)。分析器的注入信號(hào)和通道 1 測(cè)量會(huì)跨初級(jí)側(cè)元件進(jìn)行連接，從半橋的開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到諧振電容器的另一端。分析器的次級(jí)通道（通道 2）會(huì)跨次級(jí)繞組進(jìn)行連接，并添加一個(gè)電阻器來近似模擬負(fù)載條件。在掃描注入交流信號(hào)的頻率后，可以通過展示通道 2 電壓除以通道 1 電壓的幅值來繪制功率級(jí)的增益。圖 3 顯示了一個(gè)測(cè)試結(jié)果示例。

圖 3. 可以從圖 2 中所示的測(cè)試設(shè)置中觀察到的 LLC 諧振回路增益曲線測(cè)量示例。來源：德州儀器  (TI)

根據(jù)變壓器匝數(shù)比以及功率級(jí)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的開關(guān)和繞組配置，可以將功率級(jí)增益轉(zhuǎn)換為電壓增益。半橋 LLC 功率級(jí)通常顯示有一個(gè)中心抽頭次級(jí)繞組和兩個(gè)輸出整流器。在本例中，輸出電壓近似為輸入電壓、匝數(shù)比和工作頻率下諧振回路的增益的乘積。圖 4 中所繪制的其他次級(jí)配置選項(xiàng)使諧振回路能夠轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。請(qǐng)注意，如果初級(jí)側(cè)配置有全橋，則需要將這些比率乘以系數(shù) 2。

圖 4. 為次級(jí)側(cè)配置全波整流器可使傳輸?shù)哪芰考颖?(a)；雙端次級(jí)配置可實(shí)現(xiàn)四倍電壓增益 (b)。來源：德州儀器  (TI)

此方法的益處是可以直接在 PCB 上進(jìn)行測(cè)量，并且在測(cè)試結(jié)果中將功率級(jí)寄生元件考慮在內(nèi)。TI E2E? 設(shè)計(jì)支持論壇文章“為什么您的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器頻率大錯(cuò)特錯(cuò)” (Why is Your LLC Resonant Converter Frequency Way, Way Off) 中，使用了一個(gè)替代模型來解釋變壓器的構(gòu)造如何會(huì)在電路中引入額外的電感（圖 5）。您可以圍繞這些固有的寄生元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者將它們集成到您的設(shè)計(jì)中。例如，可以使用漏電感作為諧振電感器，這樣可以從設(shè)計(jì)中移除一個(gè)物理元件，從而節(jié)省成本并提高效率。通過使用此快速測(cè)試，可以借助此方法簡(jiǎn)化對(duì)諧振回路設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

圖 5. 使用漏電感作為 LLC 轉(zhuǎn)換器諧振元件的變壓器模型，這使設(shè)計(jì)人員能夠圍繞固有的寄生元件進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)⑵浼傻皆O(shè)計(jì)中。來源：德州儀器  (TI)

在次級(jí)側(cè)使用同步整流器將進(jìn)一步提高 LLC 轉(zhuǎn)換器效率。這樣將會(huì)降低導(dǎo)通損耗，而導(dǎo)通損耗往往決定了該元件的總損耗特性；然而，對(duì) MOSFET 的選擇可能會(huì)改變?cè)鲆媲€的形狀。低電阻 MOSFET 將具有較大的輸出電容。變壓器的匝數(shù)比可能會(huì)放大該電容，這在某些情況下可能會(huì)造成問題。正如我前面提到的，通過測(cè)試電路中的增益曲線，有助于考慮整個(gè)功率級(jí)中的額外寄生元件。圖 6 突出顯示了在初始諧振回路設(shè)計(jì)中可能不被注意的 MOSFET 輸出電容的效應(yīng)。

圖 6. 在此設(shè)計(jì)中，寄生電容增加了一個(gè) 300kHz 左右的諧振，而它本不應(yīng)在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)。來源：德州儀器  (TI)

然而，使用頻率響應(yīng)分析器無法將所有設(shè)計(jì)寄生元件考慮在內(nèi)。例如，測(cè)量不會(huì)顯示中心抽頭結(jié)構(gòu)中彼此耦合不佳的次級(jí)繞組的效應(yīng)。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的松散耦合會(huì)形成漏電感，而這在 LLC 設(shè)計(jì)中某種程度上是有利的。但是，彼此耦合不佳的次級(jí)繞組會(huì)降低功率級(jí)的性能。在交流分析中無法觀察這種效應(yīng)，但在監(jiān)測(cè)次級(jí)繞組電壓時(shí)很明顯。

例如，圖 7 中的設(shè)計(jì)具有正確的增益曲線。但觀察次級(jí)繞組上的電壓可發(fā)現(xiàn)，電平開始時(shí)較高，然后下降至低于輸出電壓的電平。理想情況下，這些電壓波形應(yīng)該看起來更像方波。松散耦合還會(huì)在次級(jí)整流器關(guān)斷沿上制造一個(gè)大泄漏尖峰。隨著負(fù)載增加，彼此松散耦合的次級(jí)繞組的失真效應(yīng)愈發(fā)明顯，并且會(huì)限制可能的輸出功率。

圖 7. 變壓器設(shè)計(jì)中的松散耦合在開關(guān)波形中顯而易見，但在其增益曲線中不明顯。來源：德州儀器  (TI)

即使重新配置該變壓器設(shè)計(jì)，使次級(jí)繞組彼此更好地耦合，所產(chǎn)生的諧振電感和磁化電感仍然保持不變。與預(yù)期一致，增益曲線測(cè)量在視覺上沒有差異。但圖 8 中的開關(guān)波形說明新設(shè)計(jì)有顯著改進(jìn)。

圖 8. 經(jīng)過改進(jìn)的變壓器設(shè)計(jì)，其中更好的耦合減輕了壓降，同時(shí)保持了增益曲線形狀。來源：德州儀器  (TI)

重新配置次級(jí)繞組后，開關(guān)波形看起來更接近預(yù)期；波形更趨于方形，同時(shí)阻斷電壓等于輸出電壓。關(guān)斷沿產(chǎn)生的泄漏尖峰也得以消除。

兩種變壓器設(shè)計(jì)實(shí)際上相同，不需要額外的元件。然而，這些變化對(duì)總體效率產(chǎn)生了很大影響。

結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)諧振轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證諧振回路的增益曲線，以此來開始評(píng)估。雖然無法檢測(cè)所有缺陷，但可以在一定程度上洞察可實(shí)現(xiàn)的增益，以及預(yù)期的工作頻率范圍。

更多《電源設(shè)計(jì)小貼士集錦》>>