半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器地設(shè)計技巧及解決方案設(shè)計

1、半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計技巧及解決方案近年來，液晶電視（LCD TV）和等離子電視（PDP TV）市場迅速增長。這些市場及其它一些市場需要具有 如下功能特色的開關(guān)電源（SMPS）:廣告插播信息維庫最新熱賣芯片：MAX472CPM51397AFUPD1986CMC13156FBA5693 MX7545AKN046AT89S52-24PUBU4011BF-E2MAX222CPN1. 150600W的輸出功率范圍。2. 采用有源或無源PFC（由所需功率決定）。3. 寬度和空間有限，無散熱風(fēng)扇，通風(fēng)條件有限。4. 面向競爭激烈的消費(fèi)電子市場。這就要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾（EMI

2、）信號，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價比高。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，但雙電感加單電容（LLC）串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器在滿足這些應(yīng)用要求方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合中大尺寸液晶電視輸岀負(fù)載范圍下工作。通常反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適用于功率不超過70W面板尺寸不超過21英寸的應(yīng)用，雙反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則適合功率介于 應(yīng)用，而半橋LLC則在120300W乃至更高功率范圍下都適用，適合于從中等 和大尺寸（大于40英寸）等更寬范圍的應(yīng)用。120180W之間、2632英寸的（2632英寸）、較大（37英寸）此外，在LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，元器件數(shù)量有限，諧振儲能（tank）元件能夠集成到單個變壓

3、器中，因此只需要1個磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān) （ZVS）條件 而次級二極管可以采用零電流開關(guān) （ZCS）工作，沒有反向恢復(fù)損耗?？偟膩砜矗霕騆LC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器是 適用于中、高輸岀電壓轉(zhuǎn)換器的高性價比、高能效和EMI性能優(yōu)異的解決方案。半橋LLC轉(zhuǎn)換器中諧振電容和諧振電感的配置LLC半橋轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造存在著單諧振電容（CS）和分體（split） 諧振電容（CS1和CS2）等不同方案。如圖1所示。對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（6001,500V）的諧振電容。不過，這種方

4、案也存在尺寸小、布線簡單等優(yōu)點(diǎn)。圖1 :半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置：（a）單諧振電容；（b）分體諧振電容。與單個諧振電容配置相比，分體諧振電容配置的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僅為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管（D3和D4）進(jìn)行簡單、廉價的過載保護(hù)時，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個電感（勵磁電感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（resonant tank）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

5、點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。對于分立解決方案而言，諧振電感置于變壓器外面。這使得設(shè)計靈活性也就更高，令設(shè)計人員可以靈 活設(shè)置的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)在于變壓器初級和次級繞組 之間的絕緣變得復(fù)雜和繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。圖2 :諧振儲能元件的兩種不同配置：（a）分立解決方案；（b）集成解決方案。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個磁性元件，成本更低，而且會使得開關(guān)電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級和次級繞 組之間可以方便地實(shí)現(xiàn)絕緣。不過，這種

6、解決方案的靈活性相對較差（可用的LS電感范圍有限），且其EMI幅射更強(qiáng)，而初級和次級繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。半橋LLC轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)根據(jù)負(fù)載條件的不同，LLC轉(zhuǎn)換器的頻率會岀現(xiàn)變化。對于分立諧振回路解決方案而言，可以定義兩 個諧振頻率，分別是串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率 Fmin。其中，LLC轉(zhuǎn)換器的工作頻率取決于功率需求。功率需求較低時，工作頻率相當(dāng)高，超岀諧振點(diǎn)。相反，功 率需求較高時，控制環(huán)路會降低開關(guān)頻率，使其中一個諧振頻率提供負(fù)載所需大小的電流。總的來看，LLC轉(zhuǎn)換器工作在5種不同的工作狀態(tài)，分別是：1.在Fs和Fmin之間；2.直接諧振在Fs； 3.高于Fs； 4.在 Fs

7、和Fmin之間-過載；5.低于Fmin。與分立儲能電路解決方案相比，集成儲能電路解決方案的行為特性不同，如漏電感LLK來自于變壓器耦合，且LLK僅在變壓器初級和次級之間存在能量轉(zhuǎn)換時參與諧振；此外，一旦次級二級管在零電流開關(guān) （ZCS）條件下關(guān)閉，LLK就沒有能量。對于半橋 LLC而言，次級二極管始終處于關(guān)閉狀態(tài)。諧振電感Ls和勵磁電感Lm不會象分立諧振回路解決方案那樣一起參與諧振。集成儲能電路解決方案也能夠定義兩種諧振頻率:這種解決方案同樣存在 5種工作狀態(tài)，分別是：1.在Fs和Fmin之間；2.直接在諧振Fs ； 3.高于Fs； 4.在Fs和Fmin之間-過載；5.低于Fmin。半橋LLC

8、轉(zhuǎn)換器建模和增益特性LLC轉(zhuǎn)換器可以通過一階基波近似來描述。但只是近似，精度有限。而在Fs頻率附近精度達(dá)到最高。等效電路的傳遞函數(shù)為：這其中，Z1和Z2與頻率有關(guān)，由此可知 LLC轉(zhuǎn)換器的行為特性類似于與頻率有關(guān)的分頻器，負(fù)載越高，勵磁電感Lm所受到的由交流電阻 Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來，LLC儲能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化。在使用基波近似時，實(shí)際的負(fù)載電阻必須修改，因為實(shí)際的諧振回路是由方波電 壓驅(qū)動的。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為：特性阻抗為:噌益為:G-Lm/Ls比為串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為:1 1圖3: LLC轉(zhuǎn)換器的近似等效電路。U-200

9、RtfLmOBII也FiJtf0阿圖4 :標(biāo)準(zhǔn)化增益特性（區(qū)域1和區(qū)域2為ZVS工作區(qū)域，區(qū)域 3為ZCS工作區(qū)域）。LLC轉(zhuǎn)換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側(cè)區(qū)域（其中的負(fù)斜率意味著初級 MOSFE工作在零電壓開關(guān)ZVS模式下）。當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在fs=1（對于分立諧振回路解決方案而言）的狀態(tài)下時，它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講，這個工作點(diǎn)最具吸引力，因為正弦初級電流、MOSFET和次級二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點(diǎn)只能在特定的工作電壓和負(fù)載條件下達(dá)到（通常是在滿載和額定Vbulk電壓時）。增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定：Lm/Ls比（即

10、k）、諧振回路的特征阻抗、負(fù)載值和變壓器的匝數(shù)比?？梢允褂肞Spice、Icap4等任意仿真軟件來進(jìn)行基波近似和AC仿真。LsR-TX1OULinR$TX1OK33nFHOuOtEtOuOtvnRkvt *RaeIV1 84 弓 Olvn1Y1 94SOh000I-Jl 1 jn.d?。﹖ViH圖5 :分立（a）和集成（b）諧振回路解決方案的仿真原理圖。對于LLC諧振轉(zhuǎn)換器而言，滿載時品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls比k這兩個因數(shù)的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計的關(guān)鍵。這方面的選擇將影響到如下轉(zhuǎn)換器特性：1. 輸岀電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍;2. 線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍；3. 諧振回路中循環(huán)能量的大小；4. 轉(zhuǎn)換器的效率

11、。要優(yōu)化滿載時的Q和k因數(shù)，效率、線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍通常是最重要的依據(jù)。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負(fù)載，它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數(shù)越高，就導(dǎo)致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負(fù)載時，特征阻抗就必須較低，因為低Q會導(dǎo)致穩(wěn)壓能力下降，且 Q值很低的情況下LLC增益特性會退化到 SRC而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵磁電感中存儲多少能量。k值越高，轉(zhuǎn)換器的勵磁電流和增益也就越低；且k因數(shù)越大，所需的穩(wěn)壓頻率范圍也就越大。在實(shí)踐中，Ls（如集成變壓器解決方案的漏電感 ）只能在有限的范圍內(nèi)取值，而且是由變壓器的構(gòu)造（針對所需的功率等級）和匝數(shù)比決定。然后，Q因數(shù)的計算由

12、所需的額定工作頻率fs確定。這之后，k因數(shù)也必須計算岀來，以確保輸岀電壓穩(wěn)壓（帶有線路和負(fù)載變化）所需的增益。而在設(shè)定 k因數(shù)時，可以讓轉(zhuǎn)換器在輕載時無法維持穩(wěn)壓一一可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。對于半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計而言，還涉及到其它的一些重要因素，如初級電流和諧振電容的參數(shù) 確定、次級整流設(shè)計和輸岀電容參數(shù)的確定、諧振電感的平衡性、變壓器繞組參數(shù)的確定和變壓器的制作 等。這些進(jìn)一步的設(shè)計信息可以聯(lián)系安森美半導(dǎo)體獲得。安森美半導(dǎo)體的半橋 LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案 NCP1395NCP1396作為全球領(lǐng)先的高能效電源半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器

13、解決方案包括NCP1395和 NCP1396空制器。NCP1396是一款更新的器件，內(nèi)置驅(qū)動器。它們均為為構(gòu)建可靠及穩(wěn) 固的諧振模式開關(guān)電源提供了所有必需功能，具有極低的待機(jī)能耗。它們的關(guān)鍵特性包括：50kHz至1.0MHz的寬廣頻率范圍（NCP1395、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間（dead time）、可調(diào)節(jié)的軟啟動、可調(diào)節(jié)的最小和最大頻 率漂移、低啟動電流、欠壓檢測、可調(diào)節(jié)的故障定時器間隔和跳周期可能性等。NCP1396的獨(dú)特架構(gòu)包括一個 500kHz的壓控振蕩器，由于在諧振電路結(jié)構(gòu)中避開諧振尖峰相當(dāng)重要， 因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū)域，NCP1396內(nèi)置了可調(diào)節(jié)且精確的最低開關(guān)頻率，通過專

14、有高電壓技術(shù)支持，這款控制器應(yīng)用在能夠接受高達(dá)600V本體電壓半橋式應(yīng)用的自舉MOSFE驅(qū)動電路上。此外，可調(diào)整的死區(qū)時間可以幫助解決上方與下方晶體管相互傳導(dǎo)的問題，同時確保一次端開關(guān)在所有負(fù)載情況 下的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVS），并輕松實(shí)現(xiàn)跳周期模式來改善待機(jī)能耗以及空載時的工作效率。NCP13965具備多重保護(hù)功能，提供更好的電路保護(hù)，帶來更安全的轉(zhuǎn)換器設(shè)計而不增加電路的復(fù)雜 度，NCP13965的各種強(qiáng)化保護(hù)功能包括有反饋環(huán)路失效偵測、快速與低速事件輸入，以及可以避免在低 輸入電壓下工作的電源電壓過低偵測等。面向各種多樣化的電源應(yīng)用設(shè)計，NCP1396提供有兩種型號選擇： A和B。兩種型號的不

15、同表現(xiàn)在：1. 啟動閥值不同，NCP1396A和 NCP1396 分別是 VCC=13.3V和 VCC=10.5V（相應(yīng)地 NCP139A 和 NCP139B 分另U為 VCC=12.8V和 VCC=10V）2. 在釋出快速故障輸入時 NCP1396ANCP139A不會激活軟啟動功能，而NCP139B/NCP139B則會在快 速故障輸入釋岀時通過軟啟動序列恢復(fù)工作。從設(shè)計上來看，NCP1396ANCP139A推薦用于大功率消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計，在這些設(shè)計中設(shè)計人員能夠使用外部啟動電阻，而NCP139B/NCP139B更適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用，這些應(yīng)用中的12V輔助電源能夠直接為 芯片供電。Green PinTTvr瞅詢1吃|-andEM圖6 :采用NCP1396A勺安森美半導(dǎo)體 GreenPoint 220 瓦液晶電視電源參考設(shè)計。本文小結(jié)輸出功率在150600W之間的液晶電視和等離子電視等應(yīng)用要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑 的電磁干擾(EMI)信號，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價比高。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多， 但雙電感加單電容(LLC)串聯(lián)諧