在完全工作條件下進行測試之前測量 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，進而影響諧振轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的運行。

圖 1. 具有分裂諧振電容器的半橋 LLC 功率級，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證增益曲線。在本期電源設(shè)計小貼士中，我將介紹一種測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)點和局限性的示例。

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

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 具有一對諧振電容器，其中一個連接到輸入電壓，另一個連接到初級接地。要在此電路中運行測試，諧振電容器必須相互并聯(lián)，并且與初級繞組串聯(lián)。分析器的注入信號和通道 1 測量會跨初級側(cè)元件進行連接，從半橋的開關(guān)節(jié)點連接到諧振電容器的另一端。分析器的次級通道（通道 2）會跨次級繞組進行連接，并添加一個電阻器來近似模擬負(fù)載條件。在掃描注入交流信號的頻率后，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的增益。圖 3 顯示了一個測試結(jié)果示例。

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

根據(jù)變壓器匝數(shù)比以及功率級初級側(cè)和次級側(cè)的開關(guān)和繞組配置，可以將功率級增益轉(zhuǎn)換為電壓增益。半橋 LLC 功率級通常顯示有一個中心抽頭次級繞組和兩個輸出整流器。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配置選項使諧振回路能夠轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。請注意，如果初級側(cè)配置有全橋，則需要將這些比率乘以系數(shù) 2。

圖 4. 為次級側(cè)配置全波整流器可使傳輸?shù)哪芰考颖?(a)；雙端次級配置可實現(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 上進行測量，并且在測試結(jié)果中將功率級寄生元件考慮在內(nèi)。TI E2E? 設(shè)計支持論壇文章“為什么您的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器頻率大錯特錯” (Why is Your LLC Resonant Converter Frequency Way, Way Off) 中，使用了一個替代模型來解釋變壓器的構(gòu)造如何會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行設(shè)計，或者將它們集成到您的設(shè)計中。例如，可以使用漏電感作為諧振電感器，這樣可以從設(shè)計中移除一個物理元件，從而節(jié)省成本并提高效率。通過使用此快速測試，可以借助此方法簡化對諧振回路設(shè)計的優(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)計人員能夠圍繞固有的寄生元件進行設(shè)計或?qū)⑵浼傻皆O(shè)計中。來源：德州儀器  (TI)

在次級側(cè)使用同步整流器將進一步提高 LLC 轉(zhuǎn)換器效率。這樣將會降低導(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 MOSFET 的選擇可能會改變增益曲線的形狀。低電阻 MOSFET 將具有較大的輸出電容。變壓器的匝數(shù)比可能會放大該電容，這在某些情況下可能會造成問題。正如我前面提到的，通過測試電路中的增益曲線，有助于考慮整個功率級中的額外寄生元件。圖 6 突出顯示了在初始諧振回路設(shè)計中可能不被注意的 MOSFET 輸出電容的效應(yīng)。

圖 6. 在此設(shè)計中，寄生電容增加了一個 300kHz 左右的諧振，而它本不應(yīng)在設(shè)計階段出現(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)計寄生元件考慮在內(nèi)。例如，測量不會顯示中心抽頭結(jié)構(gòu)中彼此耦合不佳的次級繞組的效應(yīng)。初級繞組和次級繞組之間的松散耦合會形成漏電感，而這在 LLC 設(shè)計中某種程度上是有利的。但是，彼此耦合不佳的次級繞組會降低功率級的性能。在交流分析中無法觀察這種效應(yīng)，但在監(jiān)測次級繞組電壓時很明顯。

例如，圖 7 中的設(shè)計具有正確的增益曲線。但觀察次級繞組上的電壓可發(fā)現(xiàn)，電平開始時較高，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。松散耦合還會在次級整流器關(guān)斷沿上制造一個大泄漏尖峰。隨著負(fù)載增加，彼此松散耦合的次級繞組的失真效應(yīng)愈發(fā)明顯，并且會限制可能的輸出功率。

圖 7. 變壓器設(shè)計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，使次級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)計有顯著改進。

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

重新配置次級繞組后，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)計實際上相同，不需要額外的元件。然而，這些變化對總體效率產(chǎn)生了很大影響。

結(jié)語

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

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