llc振器原理及方案講課講稿.doc

1、此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除LLC 諧振轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計方案時間： 2010-05-07 01:05:16來源：今日電子作者：飛兆半導體公司 Jintae Kim多種類型的 LED TV 主功率級拓撲相繼推出，比如非對稱半橋轉(zhuǎn)換器、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。其中， LLC 諧振轉(zhuǎn)換器雖然相比其他轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因為其設(shè)計復(fù)雜困難， 所以在過去很少受到關(guān)注。 不過，這幾年間， IC 制造商已開發(fā)出用于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的控制器， 而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計工具，讓其設(shè)計變得更容易， 并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注。現(xiàn)在，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為LED TV 最流

2、行的主功率級拓撲。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點有： （1）在整個負載范圍 (包括輕載 )下都是以 ZVS(zero voltage switching ，零電壓開關(guān) )條件工作，從而實現(xiàn)高效率；（ 2）工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計；（ 3）初級端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在兩個不同類型的ZVS 區(qū)域之內(nèi)。一個被稱為 “上區(qū)域 (above region)”(或上諧振工作區(qū)域 )，這里，初級端的環(huán)流變小，但次級端上的二極管為硬開關(guān)。另一個是“下區(qū)域 ”(或下此文檔僅供

3、學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除諧振工作區(qū)域 )，這時，次級端上的二極管可實現(xiàn)軟開關(guān)。本文將簡單介紹 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理和工作區(qū)域，此外還將討論其設(shè)計步驟。圖 1 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理圖 1 所示為 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個帶 MOSFET 的控制器、一個諧振網(wǎng)絡(luò)和一個整流器網(wǎng)絡(luò)?？刂破饕?50%的占空比交替為兩個 MOSFET 提供門信號， 隨負載變化而改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓 Vout ，這稱為脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 。諧振網(wǎng)絡(luò)包括兩個諧振電感和一個諧振電容。諧振電感 Lr 、Lm 與

4、諧振電容 Cr 主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(見式 1)，以獲得所需的輸出電壓。 在實際設(shè)計中， 諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個采用如圖2 所示的分段骨架 (sectional bobbin) 的集成式變壓器的磁化電感Lm與漏感 Llk 構(gòu)成。而整流器網(wǎng)絡(luò)對諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波形進行整流，然后傳輸?shù)捷敵黾?。此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除(1)式中， Vd 基本近似等于 Vin/2 ，而 Rac 基本近似等于8n2Vout/2 Iout。式（2）給出了采用如圖2 所示的實際變壓器時， LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比。在式（ 2）中可觀察到兩個諧振頻率。一個由Lp 和

5、 Cr決定，記為 p，另一個由 Lr 和 Cr 決定，記為 r。利用這個公式，可獲得 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器隨頻率和負載變化的增益特性曲線，如圖3所示。圖 2 采用分段骨架的集成式變壓器(a) ，變壓器等效電路 (b)此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除圖 3 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的增益曲線和工作區(qū)域圖 3 中，每條曲線上以符號 標注的最高值被稱為 峰值增益 ，位于兩個諧振頻率 p 和 r 之間。當輸出負載越來越大時，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時，以符號 標注的 r時的諧振增益卻是固定的， 不隨輸出負載的變化而變化。增益曲線說明在 ZVS 狀態(tài)下，隨著諧振網(wǎng)

6、絡(luò)的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。(2)式中。此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域如圖 3 所示，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域可標注為“”的峰值增益和標注為 “”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點為界，左邊是ZCS(零電流開關(guān) )區(qū)(或稱為電容區(qū) )，右邊是 ZVS( 零電壓開關(guān) )區(qū)(或稱為電感區(qū) )。在 ZVS 區(qū)，諧振頻率 r 的左邊是下區(qū) (below region) ，右邊是上區(qū)域 (above region) 。當 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS 區(qū)時，在開關(guān)瞬間有大量反向恢復(fù)電流流經(jīng)MOSFET ，故 LLC 諧振轉(zhuǎn)

7、換器應(yīng)該工作在 ZVS 區(qū)，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET 的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器進入ZCS 區(qū)。如上所述，根據(jù)工作頻率是大于r 還是小于 ，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可以工作在上區(qū)域或下區(qū)域。這還取決于兩種工作模式的不同特性。當 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器被設(shè)計為上區(qū)域工作時，流到 MOSFET 的環(huán)流小于下諧振工作上的，MOSFET 的傳導損耗因此減小，從而提高效率。不過，次級端上的二極管為硬開關(guān)， 故必須采用肖特基或UF( 超快速恢復(fù) )二極管來防止嚴重的反向恢復(fù)電流。鑒于此，像便攜式設(shè)備 LCD 的電源這樣的低壓應(yīng)用有時會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到 MOS

8、FET 的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進行軟導通/ 關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復(fù)二極管。 下諧振工作是 LED 或 PDP TV此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除等高壓應(yīng)用的首選。這些應(yīng)用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。因此，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格和特性來選擇LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)域。下一節(jié)將討論LLC 諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域的選擇步驟。下諧振工作的設(shè)計步驟圖 4 所示為一個 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在 100% 和 10%負載條件下的頻域增益曲線。圖中， fop10%load 和 fop100%load 為 LLC

9、諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率， 分別是在 100% 和 10%負載條件下調(diào)節(jié)最大輸入電壓 Vin,max 對應(yīng)的額定輸出電壓。 Mfr 代表諧振頻率 fr 下的增益，是固定的，不隨負載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS 區(qū)域劃分為上 / 下諧振工作的關(guān)鍵點。因此，當把Vin,max 條件下所需增益設(shè)定至大于 Mfr ，則即使輸入電壓和輸出負載都減小，所需增益也必然不會小于 Mfr 。這意味著 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率小于對應(yīng)Mfr的 fr ，故它總是工作在下區(qū)域。 下面介紹一個 LED TV 電源的設(shè)計步驟。其輸入電壓由 PFC(功率因數(shù)校正 )提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為 350 、38

10、0 和 400Vdc ，輸出規(guī)格為 120V/1.5A 。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個MOSFET 的FSFR 系列器件，這是飛兆半導體專為諧振半橋型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計的產(chǎn)品。此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除圖 4 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的頻域增益曲線 步驟 1 選擇 m 和 fr ，并計算 Mfr利用式 2，諧振頻率 fr 下的諧振增益 Mfr 可由下式求得：(3)式 3 中，m 和 fr 都由設(shè)計人員選擇。若選擇的 m 值很小，峰值增益增加，且需要較大的 Lr 。若 m 值過小，需要外部電感，因為這時要在集成式變壓器中獲得高值 Lr 實際上是相當

11、困難的。另一方面，如果選擇較大的 m 值，則峰值增益降低。由于 Lr 比 Lp 低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言， m 值在 47 之間是比較合理的。當 m 和 fr 分別設(shè)置為 6kHz 和 100kHz 時，求得諧振頻率下的諧振增益為 1.09。 步驟 2 確定最大增益此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除利用公式（ 4）可求出所需最小和最大增益：Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax= （Vvirtual/Vin，min ）Mfr(4)式中，Mmin 和 Mmax 分別為最小和最大增益。 Vvirtual是對應(yīng)于諧振頻率的有效輸入電壓。

12、如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual被設(shè)定為大于最大輸入電壓 Vin,max ，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設(shè)計出的LLC諧振轉(zhuǎn)換器就會工作在下諧振工作區(qū)域。假定 Virtual 設(shè)為 420Vdc 并考慮到余裕， Mmin 和 Mmax 可采用式 4 計算：Mmin=420/400 1.1=1.16/Mmax=420/3501.1=1.31考慮到因負載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應(yīng)具有一定余裕，增加 10%的余裕是比較恰當?shù)模屎侠淼腗max 值為 1.45。 步驟 3確定集成式變壓器的匝數(shù)比利用步驟 2 中求得的有效輸入電壓Vvirtual和合理的諧振增益Mfr ，集成式變壓器

13、的匝數(shù)比可由式（5）求得：n=Vvirtual/2(Vout+VF)(5)式中， Vout 和 VF 分別是次級端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。如果需要調(diào)節(jié)匝數(shù)比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓 Vvirtual即可。在步驟2 中， Vvirtual已被設(shè)為 420Vdc 。VF 取此文檔僅供學習和交流此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除1Vdc，集成式變壓器的匝數(shù)比為n=420/2(120+1)1.1=1.9 步驟 4 確定諧振網(wǎng)絡(luò)圖 5 根據(jù)峰值增益和不同 m 值找出正確的 Q 因子的查找表利用圖 5 所示的這種查找表，能夠根據(jù)峰值增益和不同的 m 值找出正確的 Q 因子。利用 m 值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖 5 中選出正確的Q 因子。一旦確定了正確的Q 因子，諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)就可利用公式（6）求出。Cr=1/(2 QfrRac ）， Lr=1/(2 fr)2Cr ，Lp=Lr m(6)這里， Cr 和 Lr 分別為諧振電容和電感，Lp 為集