如何設(shè)計llc諧振轉(zhuǎn)換器主功率拓?fù)?/h1>
llc諧振轉(zhuǎn)換器是led tv的主功率級拓?fù)渲?，相比其它轉(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。llc諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為 led tv最流行的主功率級拓?fù)洹?
llc諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點有： a) 在整個負(fù)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; b) 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; c)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。
許多高效率電源在設(shè)計時可以使用有源鉗位反激(ACF)變換器或LLC開關(guān)IC來實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)。在實際設(shè)計時，究竟應(yīng)該選擇哪一種呢?一些設(shè)計工程師會根據(jù)個人偏好、熟悉程度以及在某些特別應(yīng)用當(dāng)中過去常用的歷史經(jīng)驗來做出相應(yīng)的選擇。然而，當(dāng)面對兩種或更多可能的解決方案時，最佳方案的選取則取決于合理的工程推理、設(shè)計要求以及產(chǎn)品效率、尺寸、BOM、功率密度、設(shè)計簡易性的優(yōu)先級別以及其它影響設(shè)計的一些因素。
Power Integrations (PI)面向電視機、顯示器和大功率充電器應(yīng)用提供全系列高度集成的反激式變換器，這些器件均采用超薄封裝。我們還提供一系列新的LLC開關(guān)IC，與我們的新型HiperPFS?-5功率因數(shù)校正(PFC)前級IC搭配使用時，可在相同的應(yīng)用當(dāng)中以極高的效率提供高達240W的功率輸出。
LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路如下所述。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?0%的占空比交替為兩個mosfet提供門信號，隨負(fù)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(LLC )。諧振電感 lr、lm 與諧振電容cr 主要作為一個分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(如式1所示)，以獲得所需的輸出電壓。
我們可能已經(jīng)考慮將 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 放入到我們的下一個電源項目中。LLC-SRC 通常隱藏在另一個調(diào)節(jié)良好的功率級后面，如圖 1 中的示例。這在電路成本方面并不理想，因為兩級 PSU的BOM 成本總是高于單級 PSU。我們想要的是用可提供更高效率和更低 EMI 并避免增加 BOM 成本的替代拓?fù)鋪硖鎿Q舊設(shè)計中的反激式轉(zhuǎn)換器。LLC-SRC 真的被單級低成本拓?fù)溥x擇標(biāo)準(zhǔn) 排除了嗎?
圖 1. 通用兩級離線電源單元的功率級。
由于對輸入電壓變化的敏感性，LLC-SRC 在 LLC-SRC 前面需要另一個功率級。設(shè)計人員通常插入另一個功率級以為 LLC-SRC 提供良好調(diào)節(jié)的輸入電壓，因為它優(yōu)化了 LLC-SRC 效率。一般來說，LLC-SRC 效率在兩級 PSU 中可以 > 94%。
如果我們認(rèn)真看了PMP5141設(shè)計示例，我們會發(fā)現(xiàn)PMP5141中的 LLC-SRC只能在 280V DC至 400V DC輸入范圍內(nèi)工作。如果我們在單級 AC-DC 離線 PSU 中使用PMP5141 LLC-SRC 級，我們可能只接受 240V?AC +/-10% 輸入。此時，LLC-SRC 工作輸入電壓范圍現(xiàn)在需要更寬。
較高的 L m /L r比率導(dǎo)致較窄的調(diào)節(jié)范圍。因此，如果我們降低 L m /L r比率，則工作輸入電壓范圍有能力擴大。PMP5141的比值接近 5。如果我們減小它的 L m使 L m /L r比值 3，最小輸入電壓可以低至 220V DC，如圖 2 所示。LLC-SRC 參數(shù)現(xiàn)在是針對具有 176V AC至 276V AC輸入范圍的單級 PSU 進行了優(yōu)化。
圖 2. L r =72μH、Cr=0.033μF、n=8.333 和 Pout=240W的 LLC-SRC 的電壓增益。
上面的示例說明了如何降低 L m /L r比率使單級 LLC-SRC PSU 成為可能。降低 L m的一個問題是 L m越小，初級側(cè)的循環(huán)電流越高，這會降低轉(zhuǎn)換器效率。請記住，我們現(xiàn)在是單級 PSU，我們沒有像以前那樣在 LLC-SRC 前面的功率級上降低效率。
PMP10283 是一款單級 LLC-SRC PSU，設(shè)計用于 88VAC-132VAC 或 176VAC-264VAC 輸入，+/-30V/200W 輸出。PMP10283 參考設(shè)計通過交流線路電壓向單 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器級提供 30V/100W 和 -30V/100W 的輸出。該設(shè)計的特點是電路成本低且效率高(120VAC 滿負(fù)荷時效率超過 90%;240VAC 滿負(fù)荷時約為 92%)。該設(shè)計使用適用于 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的 UCC25600 諧振轉(zhuǎn)換器控制器。
特性
· 88VAC-132VAC 或 176VAC-264VAC 輸入
· +/-30V 200W 輸出
· 轉(zhuǎn)換器效率高達 92%
· 單級 AC-DC LLC-SRC
· 電路成本低
比較兩級PMP5141的總效率時 和單級PMP10283 在圖 3 中的 PSU 中，單級 LLC-SRC PSU 的性能要好得多。單級 LLC-SRC 效率可以與兩級 PSU 一樣好，并且提供更低的 Bom 成本。
圖 3. PMP5141的總效率 和PMP10283。
LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作區(qū)域
LLC諧振轉(zhuǎn)換器有不同的工作區(qū)域，包括輕負(fù)載、中負(fù)載和重負(fù)載。在不同的負(fù)載條件下，LLC諧振轉(zhuǎn)換器會有不同的性能表現(xiàn)。
3.1. 輕負(fù)載
在輕負(fù)載條件下，負(fù)載功率較低，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電流相對較小。此時，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以進入輕負(fù)載模式，通過降低開關(guān)頻率或者采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。這樣可以減小開關(guān)管的損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，并且減少電磁干擾的產(chǎn)生。
3.2. 中負(fù)載
在中負(fù)載條件下，負(fù)載功率適中，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電流較大。此時，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可以處于正常工作模式，根據(jù)負(fù)載需求和輸入電壓波動進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過控制開關(guān)管的開關(guān)時間和頻率，保持主線圈和副線圈之間的諧振狀態(tài)，實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。同時，控制電路還可以對LLC諧振轉(zhuǎn)換器進行保護控制，避免過載和過壓等異常情況的發(fā)生。
3.3. 重負(fù)載
在重負(fù)載條件下，負(fù)載功率較高，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電流達到最大值。為了滿足大功率輸出需求，LLC諧振轉(zhuǎn)換器需要通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)時間和頻率，保持主線圈和副線圈之間的諧振狀態(tài)。此時，LLC諧振轉(zhuǎn)換器可能需要采用增加諧振電容或者改變諧振回路參數(shù)的方式來提供更大的功率轉(zhuǎn)換能力。在重負(fù)載工作區(qū)域，LLC諧振轉(zhuǎn)換器仍然能夠保持較高的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
綜上所述，LLC諧振轉(zhuǎn)換器是一種高效率、低電磁干擾的電力轉(zhuǎn)換器。它通過諧振技術(shù)，在不同的負(fù)載條件下實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換。LLC諧振轉(zhuǎn)換器具有寬輸入輸出范圍的特點，適應(yīng)性強，并且可以根據(jù)負(fù)載需求自動調(diào)節(jié)工作模式。無論是在輕負(fù)載、中負(fù)載還是重負(fù)載條件下，LLC諧振轉(zhuǎn)換器都能夠提供穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換，并具有較高的效率和可靠性。在未來的綠色能源、電動車充電和電網(wǎng)接口等領(lǐng)域，LLC諧振轉(zhuǎn)換器有著廣闊的應(yīng)用前景。
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