LLC的工作原理（第 II 部分）：LLC變換器設(shè)計(jì)考量

】LLC 變換器的設(shè)計(jì)涉及眾多的設(shè)計(jì)決策與關(guān)鍵參數(shù)，而且很多因素相互關(guān)聯(lián)。任何一個(gè)設(shè)計(jì)選擇都可能影響系統(tǒng)中的許多其他參數(shù)。LLC 諧振腔的設(shè)計(jì)是其中最大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼪Q定了變換器響應(yīng)負(fù)載、頻率和電壓變化的能力。因此，設(shè)計(jì)人員必須正確定義變換器負(fù)載和頻率的工作范圍，因?yàn)檫@些值會(huì)影響諧振腔的值與參數(shù)來(lái)。

本系列的兩篇文章將討論 LLC變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量因素。 第I部分 探討了各種電源開(kāi)關(guān)拓?fù)浜?LLC 諧振腔的特性。本文為第II部分，將介紹 LLC 變換器設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，包括增益、負(fù)載、頻率和電感。

LLC變換器增益

影響LLC 變換器增益的兩個(gè)模塊是諧振腔和變壓器。諧振腔增益是可變的，具體取決于負(fù)載 (Q)、歸一化頻率 (fN)和歸一化電感 (LN)。變換器的增益響應(yīng) (MG為Q, LN和fN的函數(shù)，通過(guò)公式 (1) 來(lái)計(jì)算：

變壓器增益則由變壓器原邊線圈的匝數(shù)與副邊線圈的匝數(shù)之比定義。該比率由變壓器的物理結(jié)構(gòu)定義，所以一旦變換器開(kāi)始工作，就不能輕易改變。

圖 1 顯示了 LLC 變換器的增益路徑。

圖 1：LLC 變換器的增益路徑

圖 2 顯示了帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖。

圖 2：帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖

變換器的總增益 (VOUT / VIN) 為兩個(gè)增益的乘積，可通過(guò)公式 (2) 來(lái)估算：

其中 n 為變壓器的匝數(shù)比，MG則為 LLC 諧振腔增益。

理想情況下，諧振腔不會(huì)放大或衰減信號(hào)，而是濾除諧波。這意味著諧振腔的標(biāo)稱(chēng)增益應(yīng)為 1，并且變壓器應(yīng)是改變輸出電壓電平的唯一階段。

但實(shí)際上，LLC 變換器常用于 AC/DC變換器。AC/DC 變換器通常由一個(gè) AC/DC + PFC 轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè) LLC DC/DC 變換器組成，用于將電壓降到所需的水平（參見(jiàn)圖 3）。

圖3: AC/DC變換器功能模塊

AC/DC + PFC 級(jí)將 AC 輸入電壓 (VIN) （例如來(lái)自 AC 電源的功率）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 DC 電壓，同時(shí)還保持輸入電流與 VIN 同相。PFC 級(jí)對(duì)確保設(shè)計(jì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR）規(guī)定的各項(xiàng)功率因數(shù)規(guī)范十分必要。AC/DC + PFC 級(jí)的輸出電壓 (VOUT) 在理想情況下是穩(wěn)定的，但由于組件的非理想化， AC/DC 輸出端往往會(huì)出現(xiàn)電壓紋波，這通常是寄生電感和電容ESR導(dǎo)致的，這種電壓紋波也會(huì)出現(xiàn)在 LLC 變換器的輸入端。

由于變換器的 VIN 和變壓器固定增益帶來(lái)的變數(shù)，LLC 諧振腔需要補(bǔ)償 VIN 帶來(lái)的變化以獲得恒定的 VOUT。因此，如果 VIN 低于標(biāo)稱(chēng)值，諧振腔可稍稍放大信號(hào)以產(chǎn)生最大諧振腔增益；如果 VIN 超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值，則最小諧振增益可確保變壓器原邊繞組處的電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱(chēng)值，以保持穩(wěn)定的 VOUT。

標(biāo)稱(chēng)諧振增益 (MG_NOM) 可以使用公式 (3) 來(lái)計(jì)算 (MG_NOM)：

最大諧振增益 (MG_MAX) 可以使用公式 (4) 來(lái)計(jì)算：

最小諧振增益 (MG_MIN) 可以使用公式 (5) 來(lái)計(jì)算：

圖 4 顯示了 LLC 變換器的增益響應(yīng)以及所需的最大、最小和標(biāo)稱(chēng)諧振腔增益值。

圖 4：LLC 變換器增益響應(yīng)

LLC變換器負(fù)載

如 第I部分所述，負(fù)載通過(guò)品質(zhì)因數(shù) (Q) 來(lái)表示，它影響諧振腔的最大增益以及峰值增益頻率。諧振腔的峰值增益隨負(fù)載的增加而降低。因此，即使在最壞的情況下(即負(fù)載最大時(shí))，滿足最大增益要求也是非常重要的。

圖 5 顯示了 LLC 變換器對(duì)一系列負(fù)載的頻率響應(yīng)。

圖 5：LLC 變換器頻率響應(yīng)

LLC變換器開(kāi)關(guān)頻率

負(fù)載對(duì)增益的影響是無(wú)法控制的，但可以通過(guò)改變 MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 來(lái)保持電路增益。如圖 5 所示，盡管負(fù)載會(huì)影響變換器的最大增益，但增加負(fù)載也會(huì)將頻率 (fMG_MAX) 拉至更高水平，并產(chǎn)生最大增益。

圖 6 顯示了 LLC 諧振腔中一系列不同負(fù)載的最大增益點(diǎn)，以虛線繪制。這條線將增益響應(yīng)分為兩個(gè)不同的區(qū)域。在感性區(qū)域（右側(cè)），發(fā)生零電壓切換，并且增益隨著頻率的降低而增加，直至達(dá)到峰值增益頻率。然后變換器進(jìn)入容性區(qū)域（峰值增益頻率的左側(cè)），在該區(qū)域降低頻率也會(huì)降低增益。感性區(qū)域允許通過(guò)頻率變化進(jìn)行穩(wěn)定的增益控制。

圖 6：頻率響應(yīng)的容性區(qū)域和感性區(qū)域

一般不建議進(jìn)入容性區(qū)域，因?yàn)楫?dāng)?shù)瓦匨OSFET (LS-FET) (S2) 晶體管的體二極管處于反向恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，高邊MOSFET (HS-FET) （S1） 可能導(dǎo)通（參見(jiàn)圖7）。這會(huì)造成潛在的半橋直通條件，從而導(dǎo)致 S2發(fā)生故障，或者，至少會(huì)降低變換器的效率。

圖 7：電源開(kāi)關(guān)中的直通電流

不同的負(fù)載產(chǎn)生不同的頻率響應(yīng)和最大增益頻率。要確定最小fSW，需要考慮最壞情況，即從最小負(fù)載轉(zhuǎn)換至最大負(fù)載時(shí)（參見(jiàn)圖 8）。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，變換器工作在感性區(qū)域，但如果負(fù)載突然增加，工作點(diǎn)將進(jìn)入容性區(qū)域。因此，應(yīng)增加最小頻率 (fMIN) 以確保所有負(fù)載的工作點(diǎn)都保持在感性區(qū)域。

圖 8：負(fù)載轉(zhuǎn)移對(duì)工作區(qū)域的影響

因此，要建立穩(wěn)定的頻率范圍， fMIN 必須等于過(guò)載情況下變換器的最大增益頻率 (fOVERLOAD)（參見(jiàn)圖 9）。

圖 9：開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定、不穩(wěn)定和工作窗口期范圍

一旦得到變換器的最小頻率，就可以建立一個(gè)工作 fSW 范圍。變換器的最大頻率(fMAX) 受控制器和 MOSFET 最大頻率的限制。但工作窗口期不需要很大，它可以通過(guò)最大和最小增益頻率來(lái)定義，只要處于穩(wěn)定頻率范圍即可。

LLC 諧振腔電感

歸一化 LN 定義了峰值增益斜率，該斜率標(biāo)志著感性區(qū)域和容性區(qū)域之間的界限，如圖 10 所示。 在相同負(fù)載條件下，諧振腔的峰值增益取決于歸一化 LN。

圖 10：具有不同歸一化電感的 LLC 變換器的最大增益曲線

較小的 LN 可為更廣范圍的負(fù)載和操作提供高增益。另一方面，較小的 LN 也會(huì)帶來(lái)較高的磁化電流，并使效率降低。

要選擇適當(dāng)?shù)臍w一化 LN值，設(shè)計(jì)人員需要考慮負(fù)載最大時(shí)的最壞情況。LN 的選擇必須能夠提供足夠的增益來(lái)補(bǔ)償 VIN的任何缺陷，即使在過(guò)載條件下也是如此。

結(jié)語(yǔ)

LLC 變換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，需要根據(jù)特定的應(yīng)用要求考慮多種因素。由于大量的參數(shù)以及這些參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)過(guò)程通?？缭蕉啻蔚c計(jì)算，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。而MPS 提供 LLC設(shè)計(jì)工具 以及以及可配置的LLC 控制器 MPF32010等工具，可以顯著加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。