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

1、半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)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：MAX472CPA M51397AP UPD1986C MC13156FB LA5693 MX7545AKN3046 AT89S52-24PU BU4011BF-E2 MAX222CPN1. 150600W的輸出功率圍。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

2、滑的電磁干擾（EMI）信號(hào)，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價(jià)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(shì)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合尺寸液晶電視輸岀負(fù)載圍下工作。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120180W之間、2632英寸的應(yīng)用，而半橋LLC則在120300W乃至更高功率圍下都適用， 適合于從中等（2632英寸卜較大（37英寸）和大 尺寸（大于40英寸）等更寬圍的應(yīng)用。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(chǔ)能（tank）元件能夠集成

3、到單個(gè)變壓器中，因此只需要1個(gè)磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級(jí)開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān)（ZVS）條件。而次級(jí)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。總的來看，半橋LLC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(jià)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(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 （6001,500V）的諧振電容。不過，這

4、種方案也存在尺寸小、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(gè)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(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（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)

5、缺點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。對(duì)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(jì)靈活性也就更高，令設(shè)計(jì)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(jí)和次級(jí)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(chǔ)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(gè)磁性元件，成本更低，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

6、解決方案的靈活性相對(duì)較差（可用的LS電感圍有限），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(huì)岀現(xiàn)變化。對(duì)于分立諧振回路解決方案而言，可以定義兩 個(gè)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，12*汀* 厶+丄LLC轉(zhuǎn)換器的工作頻率取決于功率需求。功率需求較低時(shí)，工作頻率相當(dāng)高，超岀諧振點(diǎn)。相反，功率需求較高時(shí)，控制環(huán)路會(huì)降低開關(guān)頻率，使其中一個(gè)諧振頻率提供負(fù)載所需大小的電流?？偟膩砜矗琇LC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

7、； 4.在Fs和Fmin之間-過載；5.低于Fmin與分立儲(chǔ)能電路解決方案相比，集成儲(chǔ)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(jí)和次級(jí)之間存在能量轉(zhuǎn)換時(shí)參與諧振；此外，一旦次級(jí)二級(jí)管在零電流開關(guān) （ZCS）條件下關(guān)閉，LLK就沒有能量。對(duì)于半橋 LLC而言，次級(jí)二極管始終處于關(guān)閉狀態(tài)。諧振電感Ls和勵(lì)磁電感Lm不會(huì)象分立諧振回路解決方案那樣一起參與諧振。集成儲(chǔ)能電路解決方案也能夠定義兩種諧振頻率：Fs和Fmin。其中,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

8、載；5.低于Fmin。半橋LLC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(lì)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(chǔ)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(shí)，實(shí)際的負(fù)載電阻必須修改，因?yàn)閷?shí)際的諧振回路是由方波 電壓驅(qū)動(dòng)的。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為：特性阻抗丸Lrn扎吐匕齒：斤=如L.串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為:12 心 fuJzj

9、圖3: LLC轉(zhuǎn)換器的近似等效電路。1B_D B1 O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(jí) MOSFET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(duì)于分立諧振回路解決方案而言 ）的狀態(tài)下時(shí)，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(gè)工作點(diǎn)最具吸引力，因?yàn)檎页跫?jí)電流、MOSFET 和次級(jí)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(shí)）。增益特性曲線的波形及所需的工作頻率圍由如下參

10、數(shù)來確定：Lm/Ls比（即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。CiInLtTOcxiL -Ci m貝,.TJtlmH.IOOuHlOuOhnn33nfIQuOlwnVI *RacVt -RaCIV1 M5Ohnnw1(a>0Q圖5 :分立（a）和集成（b）諧振回路解決方案的仿真原理圖。對(duì)于LLC諧振轉(zhuǎn)換器而言，滿載時(shí)品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls比k這兩個(gè)因數(shù)的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計(jì)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)壓所需的工作頻率圍;2. 線路和負(fù)載穩(wěn)壓圍；3. 諧振回路中循環(huán)能量的大??；

11、4. 轉(zhuǎn)換器的效率。要優(yōu)化滿載時(shí)的Q和k因數(shù)，效率、線路和負(fù)載穩(wěn)壓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)致工作頻率圍Fop越大。 Q值較高及給定負(fù)載時(shí)，特征阻抗就必須較低，因?yàn)榈蚎會(huì)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(huì)退化到SRC。而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵(lì)磁電感中存儲(chǔ)多少能量。k值越高，轉(zhuǎn)換器的勵(lì)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）只能在有限的圍取值，而且是由變壓器的構(gòu)造 （針對(duì)所 需的功率等級(jí)）和匝數(shù)比決定。然后，

12、Q因數(shù)的計(jì)算由所需的額定工作頻率 fs確定。這之后，k因數(shù)也必須 計(jì)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(shí)，可以讓轉(zhuǎn)換器在輕 載時(shí)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(duì)于半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)而言，還涉及到其它的一些重要因素，如初級(jí)電流和諧振電容的參數(shù) 確定、次級(jí)整流設(shè)計(jì)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(jì)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 NCP1395/NCP1396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

13、半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款更新的器件，置驅(qū)動(dòng)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的寬廣頻率圍（NCP1395）、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間（dead time）、可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)、可調(diào)節(jié)的最小和最大頻率漂 移、低啟動(dòng)電流、欠壓檢測、可調(diào)節(jié)的故障定時(shí)器間隔和跳周期可能性等。NCP1396的獨(dú)特架構(gòu)包括一個(gè) 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置了可調(diào)節(jié)且精確的最低開

14、關(guān)頻率，通過專有高電壓技術(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 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路上。此外,可調(diào)整的死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)的工作效率。NCP1396/5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(jì)而不增加電路的復(fù)雜 度，NCP1396/5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(jì)，NCP1396提供有兩種型號(hào)選擇：

15、A和B。兩種型號(hào)的不同表現(xiàn)在：1. 啟動(dòng)閥值不同， NCP1396A 和 NCP1396B 分別是 VCC=13.3V 和 VCC=10.5V（相應(yīng)地 NCP1395A 和 NCP1395B 分別為 VCC=12.8V 和 VCC=10V）;2. 在釋出快速故障輸入時(shí) NCP1396A/NCP1395A不會(huì)激活軟啟動(dòng)功能，而 NCP1396B/NCP1395B則會(huì)在快速故障輸入釋岀時(shí)通過軟啟動(dòng)序列恢復(fù)工作。從設(shè)計(jì)上來看，NCP1396A/NCP1395A推薦用于大功率消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計(jì)，在這些設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員能夠 使用外部啟動(dòng)電阻， 而NCP1396B/NCP1395B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。Cum即IGreen Pei nJ'InLJ HMdEF呎EMUIII-'.S .tilMM3旳轄聞圖6 :采用NCP1396A的安森美半導(dǎo)體 GreenPoint 220瓦液晶電視電源參考設(shè)計(jì)。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(hào)，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價(jià)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