電源設(shè)計(jì)大師們關(guān)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)-LLC電源的看法
最近從身邊一起做電源電源的小伙伴們了解到,一般做電源電路設(shè)計(jì),都是從開關(guān)電源設(shè)計(jì)來進(jìn)行入門學(xué)習(xí)的。期間不僅要查閱大量的資料,還要對(duì)這些資料進(jìn)行篩選和整理,比較耗費(fèi)時(shí)間和精力。為此,小編將一名前工程師的開關(guān)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了整理,希望能幫助大家加快自學(xué)的步伐。
原本在本篇文章當(dāng)中將為大家講解關(guān)于EMI、尖峰電壓處理等方面的知識(shí),但是這些知識(shí)的整體思路在開關(guān)電源的各類拓?fù)洚?dāng)中都是互通的,所以轉(zhuǎn)而對(duì)主拓?fù)溥M(jìn)行介紹。
LLC開關(guān)電源設(shè)計(jì)
Buck、Boost、Forward都是PWM模式的開關(guān)電源,他們有一個(gè)共同的缺點(diǎn),就是開關(guān)交叉損耗永遠(yuǎn)都存在的,怎么都避免不了。有關(guān)“開關(guān)損耗”,網(wǎng)絡(luò)上里有大把的專業(yè)資料,大家可以去下載,這里就不再贅述。
開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)就是把直流電壓(交流輸入也是先進(jìn)行整流)經(jīng)過高頻開關(guān)進(jìn)行高頻逆變,方便我們使用高頻變壓器或者高頻電感進(jìn)行電壓、電流的變換。經(jīng)過高頻化處理以后,磁性元件就會(huì)變得很小,電容的紋波電流也會(huì)變得很小,所以現(xiàn)在看到的開關(guān)電源,在體積重量還有成本方面,都全面超越了老式的線性電源。
隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高,各種電子設(shè)備,對(duì)開關(guān)電源的體積性能有了越來越高的要求,然后人們就開始研究消除或者減小開關(guān)損耗的方法。出現(xiàn)了各種各樣的技術(shù),比如有源鉗位、準(zhǔn)諧振技術(shù)、移相全橋、諧振開關(guān)電源,因?yàn)楝F(xiàn)在市面上應(yīng)用最廣泛的是LLC結(jié)構(gòu)的諧振式開關(guān)電源,所以這里就講一下LLC諧振開關(guān)電源。LLC其實(shí)一點(diǎn)都不神秘,最早誕生于美國(guó),已經(jīng)存在了多年。但是因?yàn)閷@麊栴},在近幾年才在國(guó)內(nèi)流行起來。
電阻分壓
圖1
圖2
Zc=1/(2*pi*f*c)f交流頻率c電容容值
Zl=2*pi*f*lf交流頻率l電感量
圖3
經(jīng)過圖1、圖2、圖3的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)LLC一點(diǎn)都不復(fù)雜。說白了跟電阻分壓電路一樣,只不過純電阻電路,電阻阻值是一個(gè)常數(shù),LLC電路利用的是電抗(阻抗,感抗,容抗)來進(jìn)行分壓,因?yàn)楦锌?,容抗的大小都是頻率f的函數(shù),所以隨著頻率的變化,感抗、容抗的大小就會(huì)跟隨著變化,勵(lì)磁電感上的交流分壓可以由驅(qū)動(dòng)頻率來進(jìn)行調(diào)整,傳輸?shù)酱渭?jí)經(jīng)過整流,就是我們需要的輸出電壓了。
至于為什么實(shí)現(xiàn)了零壓開通,這正是利用了交流電路里面電流電壓之間,相位角會(huì)隨著頻率發(fā)生變化這一特性,如果始終保證LLC諧振腔工作在感性區(qū)域,那么我們就始終保證了諧振腔電流滯后于電壓一定的相位角。
這東西真的不復(fù)雜,建議大家找一些正弦交流電的知識(shí)看一下,重點(diǎn)是正弦交流電電流電壓之間的關(guān)系。
關(guān)于具體的具體LLC設(shè)計(jì)流程推薦大家去看郭春明的作品,雖然在參數(shù)上出現(xiàn)了筆誤,但是過程是非常值得學(xué)習(xí)的,簡(jiǎn)潔明快。
LLC最大的好處就是,很現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)了零電壓開通,在大部分工作頻率上,實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷(也不完全是零電流,始終關(guān)斷電流無法小于勵(lì)磁電流),比傳統(tǒng)的PWM模式峰值電流管段關(guān)斷損耗好了非常多。
這樣做的好處是:
頻率可以跑的很高,4000W等級(jí)的工業(yè)電源,諧振頻率120K,最高頻率300K,這也是很普通的參數(shù),但是電源整體體積還是小了不少。頻率高了磁性元器件體積就小了,電解電容也可以用的小一些,為什么電解電容會(huì)小,請(qǐng)大家自行查閱電解電容紋波電流相關(guān)知識(shí)。
效率高,交叉損耗小了很多,效率自然就提高了,效率高了,散熱片體積也變小很多。
下面是對(duì)工作波形的比較:
圖4
上面舉一個(gè)PWM電流連續(xù)模式的DS電壓電流對(duì)應(yīng)波形,電流下降沿、電壓上升沿展開,會(huì)看到電壓電流有交叉的部分,在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi),同時(shí)存在電壓和電流,P=U*I。那就是損耗,損耗跑哪里去呢?都變成熱量在Mos管上燒掉了,所以我們的Mos管上,經(jīng)常會(huì)看到一大塊兒鐵——散熱片。
這就牽扯出交叉損耗的問題,這個(gè)需要比較專業(yè)的講解,礙于篇幅大家可以去網(wǎng)絡(luò)上自行搜索,有大把的資料。
由于交叉損耗的存在,限制了PWM模式開關(guān)電源工作頻率的進(jìn)一步提高。交叉損耗也就是開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)候,電壓電流有重疊的一部分產(chǎn)生的,那么P=U*I。那么,大家就要注意兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),重疊部分的電壓,重疊部分的電流,總損耗是這兩個(gè)的積。
LLC基本工作波形
大家都應(yīng)該聽說過LLC有三個(gè)工作區(qū)域,欠諧振工作區(qū)域(Boost區(qū)),其中的波形:
圖5
手畫詳細(xì)解釋一下上圖:
下面根據(jù)圖5,在圖7當(dāng)中進(jìn)行了詳細(xì)的講解。不過上面圖少了Vds。注意看縱向的參考線、各個(gè)波形的時(shí)序、注意驅(qū)動(dòng)、電流、死區(qū)時(shí)序。
圖6
如圖6所示,注意驅(qū)動(dòng)上升沿、下降沿、對(duì)應(yīng)電流。
圖7
如圖7所示,零壓開通波形,注意標(biāo)出的Vds波形,Vds在驅(qū)動(dòng)到來之前,已經(jīng)為零。
圖8
上管開通,注意諧振電感、勵(lì)磁電感、諧振電容的正負(fù)。
圖9
注意去理解上管Mos開通,勵(lì)磁電感兩端電壓被鉗位了,鉗到n*(Vout-Vf)。這個(gè)過程大家一定要自己想明白。n是變比,Vf是二極管正向壓降。
圖10
注意不同顏色畫的驅(qū)動(dòng)、Vds、電流波形。諧振腔電流紅色的是諧振腔總電流,紫色的是勵(lì)磁電流,因?yàn)榇渭?jí)二極管導(dǎo)通,Lm端電壓被鉗位到n*(Vout-Vf),所以勵(lì)磁電流是線性上升的。
次級(jí)電流應(yīng)該是諧振腔總電流減去勵(lì)磁電流那一部分。平臺(tái)是因?yàn)橹C振腔總電流開始小于勵(lì)磁電流,次級(jí)二極管不再導(dǎo)通,Lm不再被鉗位,Lm也參與了諧振,平臺(tái)其實(shí)是個(gè)假象,那也是一段正弦波,頻率由Cr、(Lm+Lr)來決定。諧振回路總電感變大了,諧振頻率變低了,所以正弦波一部分看起來像一條直線。
圖11
注意不同顏色的字,方框?qū)?yīng)不同顏色的波形,可以參照網(wǎng)上的資料自己對(duì)比。
LLC主要分兩種,一種是主變集成了諧振電感Lr的一體式主變,Lr使用主變的漏感來做的。這一種說它是耦合電感也不為過。還有一種就是Lr諧振電感是使用獨(dú)立的磁芯做的一個(gè)獨(dú)立電感。這一種比較傾向于變壓器,但是在變壓器工作在低于諧振點(diǎn)時(shí)候,勵(lì)磁電感Lm有一段是要參與諧振的。
關(guān)于LLC電源的講解到此結(jié)束,希望閱讀過本系列文章的電源新手能夠有所收獲,從技術(shù)達(dá)人分享的經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中得到自己想要的知識(shí)。