LLC諧振轉(zhuǎn)換器可提升DC-DC效率

近年來，日益增長的電源需求已直接使得用數(shù)字控制實現(xiàn)AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換成為最新趨勢。數(shù)字控制具備了設(shè)計靈活性、高性能和高可靠性。為了實現(xiàn)更高效的電源，人們正在考慮使用不同的拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。本文將討論電感、電感、電容(LLC)諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制、諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢以及數(shù)字控制的整體優(yōu)勢。

數(shù)字控制解決對電源的需求

由于許多電源在大部分時間內(nèi)工作負載遠低于最大負載或是工作效率最高時的負載，在正常模式和低功耗模式下，經(jīng)常要求提高效率。例如，80 PLUS計劃要求115V電源在20%、50%和100%的額定負載下至少達到80%的效率。在這些工作點實現(xiàn)更高效率可獲得銅級、銀級、黃金級或白金級的評級。對于230V電源，最低的銅級標(biāo)準(zhǔn)要求效率在20%負載下達到81%，在50%負載下達到85%以及在100%負載下達到81%。

美國能源部已通過ENERGY STAR數(shù)據(jù)中心能效計劃將其對更高效產(chǎn)品的迫切要求擴展到數(shù)據(jù)中心。該計劃旨在解決信息技術(shù)(IT)設(shè)備以及不間斷電源(UPS)中起支持作用的基礎(chǔ)架構(gòu)等設(shè)施的所有高能耗方面的需求。

許多采購規(guī)范要求所購產(chǎn)品必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)或通過其他公認的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)認證，這就強制供應(yīng)商必須達到這些級別的要求，否則就會失去市場。因此，實現(xiàn)更高的效率迫在眉睫。單單降低運營成本這一點就足以推動能效的改進。中、大功率范圍(200到1000W)的應(yīng)用(例如電信)正越來越多地實現(xiàn)更低功耗的電源，以控制供電和冷卻設(shè)備的運營成本。

為了實現(xiàn)最高效率，許多設(shè)計人員正在轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，這也提供了設(shè)計靈活性、高性能和高可靠性。利用低引腳數(shù)的數(shù)字信號控制器(DSC)(例如，Microchip Technology公司的dsPIC DSC)，通過這些器件的數(shù)字信號處理(DSP)功能和智能電源外設(shè)便可實現(xiàn)復(fù)雜控制。在增加數(shù)字控制之前，需要了解諧振轉(zhuǎn)換器的基本原理。

諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

工作在諧振模式(電路的輸入與輸出之間的阻抗最小)下的轉(zhuǎn)換器可提供更高的效率。利用諧振轉(zhuǎn)換器，為MOSFET提供正弦電壓或正弦電流并在接近于正弦電壓或電流的過零點處開關(guān)，可大幅降低MOSFET的功耗。

在漏源電壓接近零時開關(guān)MOSFET(即零電壓開關(guān)，ZVS)，以及在通過開關(guān)的電流為零時將MOSFET狀態(tài)從一個轉(zhuǎn)換到另一個(即零電流開關(guān)，ZCS)，可以最大程度地減小MOSFET開關(guān)損耗。這種軟開關(guān)方法還降低了系統(tǒng)中的噪聲，并提供增強的抗電磁干擾(EMI)性能。ZVS是高壓、高功耗系統(tǒng)的首選。

在諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，在開關(guān)周圍增加電抗元件(電容和電感)以生成正弦電壓或電流。諧振轉(zhuǎn)換器的三個主要類別為：串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(SRC)、并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(PRC)及兩者的組合——串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(SPRC)。圖1給出了高級諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖以及三種類型的諧振回路。

圖1：高級諧振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)具有多種不同形式的諧振回路。

顧名思義，在串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器中，負載與諧振的電感和電容串聯(lián)。諧振回路的增益≤1。當(dāng)SRC空載工作時，無法對其輸出電壓進行調(diào)節(jié)。對于ZVS，在感性區(qū)域中，電路的工作頻率需要高于諧振頻率。線電壓較低時，SRC的工作頻率接近于諧振頻率。

在PRC中，負載與諧振電容并聯(lián)。PRC可在空載輸出下工作，與SRC不同的是，可以在空載時對其輸出電壓進行調(diào)節(jié)。對于ZVS，在感性區(qū)域中，PRC的工作頻率也需要高于諧振頻率。與SRC相似，在線電壓較低時，PRC的工作頻率接近于諧振頻率，但是，PRC的不同之處在于其具有較大環(huán)流。串聯(lián)電感和并聯(lián)電容提供了固有的短路保護。

在SPRC中，諧振電路是串聯(lián)和并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的組合，可以是LCC或LLC配置。與SRC和PRC相似，SPRC LCC設(shè)計無法在高輸入電壓下進行優(yōu)化。因此，許多應(yīng)用的首選方案是LLC。LLC諧振回路如圖1所示。

LLC轉(zhuǎn)換器可以在標(biāo)稱輸入電壓下以諧振頻率工作，并且能夠在空載下工作。此外，它還可以設(shè)計為在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。零電壓和零電流開關(guān)在整個工作范圍內(nèi)均可實現(xiàn)。

諧振轉(zhuǎn)換器的性能可以通過幾個參數(shù)進行衡量。諧振電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)是一個無量綱參數(shù)，用于描述電路的阻尼量。它定義為電路中存儲功率與耗散功率的比值。Q值越高表示諧振回路的帶寬越窄。

品質(zhì)是諧振電路增益的一個關(guān)鍵參數(shù)，也稱為電壓轉(zhuǎn)換比或M。通過考慮在λ、歸一化頻率或Q值變化時生成的一系列M曲線，可以在計算所有參數(shù)之前獲得諧振轉(zhuǎn)換器性能的指標(biāo)。M的定義如下：

M(fsw)=f(fn,λ,Q)

其中，fn=歸一化頻率，f/fr;λ=電感比，Lr/Lm;Q=品質(zhì)因數(shù)，輸出阻抗的函數(shù)。

如圖2所示，將Q作為參數(shù)的LLC電路實際上具有兩個諧振頻率，一個由串聯(lián)電感Lr和電容Cr決定(Q為0.5)，另一個由并聯(lián)電感Lm決定。Lr和Cr在fn=1(fr)時具有諧振頻率，Lm+Lr和Cr在fn約等于0.5時具有諧振頻率。

圖2：根據(jù)品質(zhì)因數(shù)(Q)，可以從諧振回路獲得不同的增益。Y軸為諧振回路增益(M)。所有Q曲線在諧振頻率(fn=1)處相交。

LLC的不同工作模式包括：在諧振頻率處、低于諧振頻率和高于諧振頻率。在諧振頻率處工作時，MOSFET在非常窄的時序窗口(由所選元件決定)內(nèi)以諧振頻率進行開關(guān)。此時產(chǎn)生的損耗非常低。

低于諧振頻率工作時，電路特性與在諧振頻率工作時相似，但是回路電流在周期的一段時間內(nèi)受到磁化電流限制。如果在次級側(cè)用MOSFET代替二極管進行同步整流，則必須在適當(dāng)?shù)臅r間關(guān)斷柵極。這通常需要電流檢測技術(shù)，例如測量MOSFET兩端的壓降。

高于諧振頻率工作時，回路電流大于磁化電流，不再受磁化電流限制。在該區(qū)域中，同步開關(guān)可以和初級側(cè)開關(guān)同時導(dǎo)通和關(guān)斷，從而簡化它們的控制。

由于使用了零電壓開關(guān)，LLC諧振電源的一個固有優(yōu)勢是電磁干擾和無線電干擾很低。

高效的數(shù)字控制拓撲結(jié)構(gòu)

利用目前的數(shù)字信號控制器，可以輕松實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的全數(shù)字控制和LLC諧振轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)管理功能。

實際的LLC電路器件和各部分，除圖1所示外還包括直流輸入、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振回路、變壓器、整流器、濾波器和負載。圖3給出了LLC諧振轉(zhuǎn)換器中增加的數(shù)字控制。該設(shè)計代表了可為電信電路指定的設(shè)計。在這些應(yīng)用中，LLC轉(zhuǎn)換器被廣泛地用作AC-DC系統(tǒng)中功率因數(shù)校正(PFC)電路后面的DC/DC轉(zhuǎn)換器。典型的PFC輸出電壓大約為400V，可以直接饋入LLC轉(zhuǎn)換器。寬輸入范圍允許使用體積較小的大容值電容。表1中概述了設(shè)計規(guī)范。

圖3：參考設(shè)計高級框圖說明了如何將數(shù)字控制的反饋環(huán)添加到LLC諧振轉(zhuǎn)換器中。[!--empirenews.page--]

表1：參考設(shè)計規(guī)范可滿足許多電信電源的需求。

dsPIC33FJ GS為諧振轉(zhuǎn)換器提供了數(shù)字計算功能。其40MIPS的性能和智能電源外設(shè)使其成為這一應(yīng)用的理想選擇。外設(shè)包括高速PWM(16位，周期分辨率為1ns)和可相移的輸出等。

參考設(shè)計中的開關(guān)電路使用半橋拓撲，因此，半橋電壓在0V與Vd=400Vdc標(biāo)稱值之間擺動。諧振回路由電容、電感和隔離變壓器的磁化電感組成。由于設(shè)計使用變壓器的磁化電感，因而無需使用外部電感，降低了系統(tǒng)成本。該設(shè)計也可將變壓器的漏電感用作次級電感，無需另外添加外部電感，從而節(jié)省更多成本。

如果將諧振回路正確調(diào)整到開關(guān)頻率，諧振回路將對基波頻率呈現(xiàn)有限阻抗，而對所有其他諧波頻率呈現(xiàn)非常高的阻抗?；芈返淖杩箷闺妷号c電流之間發(fā)生相移，從而允許進行零電壓開關(guān)。初級MOSFET的零電壓開關(guān)如圖4所示。

圖4：在該參考設(shè)計中，由于諧振回路電流與MOSFET電壓存在相移，半橋MOSFET開關(guān)沒有任何導(dǎo)通損耗。

設(shè)計次級側(cè)時采用同步整流器代替二極管，以降低次級側(cè)的導(dǎo)通損耗。這可以減小正向電阻(Rf)和二極管正向電壓產(chǎn)生的損耗。圖5給出了同步整流器的開關(guān)波形。

圖5：為消除次級側(cè)(同步)整流器的關(guān)斷損耗，在MOSFET電流達到零后增大MOSFET的漏源電壓。圖注與圖4相同，即綠線=MOSFET柵源電壓，紫線=MOSFET漏源電壓，黃線=MOSFET電流

對于同步整流，數(shù)字控制執(zhí)行MOSFET開關(guān)無需在次級側(cè)采用電流檢測電路。這使得全波整流器設(shè)計的效率提高并且成本降低。圖6給出了負載電流范圍內(nèi)的效率。額外的好處包括提高了補償器設(shè)計的靈活性，因為DSC還實現(xiàn)了占空比控制的軟啟動。

圖6：LLC在兩個不同工作電壓輸入下的效率顯示了其對輸入電壓的不敏感性。輸出負載電流低于2A時，實現(xiàn)了超過80%的效率。負載更高時，最大效率為95%，而且輸出負載電流從7到17A時效率曲線極其平坦。

由于可以通過易于重復(fù)編程的軟件實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換控制，數(shù)字解決方案使設(shè)計人員可以自由地創(chuàng)新并輕松修改或調(diào)整他們的設(shè)計。除了能夠增加經(jīng)濟高效、創(chuàng)造價值的新功能，精確的數(shù)字控制還可以提高電源的可靠性。使用參考設(shè)計可以縮短開發(fā)時間和上市時間并緩解從設(shè)計之初就可能出現(xiàn)的制造問題。

本文小結(jié)

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢使得該設(shè)計方法成為了中、大功率電信應(yīng)用提高能效的理想選擇。同時，增加數(shù)字控制也為電子系統(tǒng)提供了設(shè)計人員期待的設(shè)計靈活性、高性能和高可靠性。為了輕松實現(xiàn)上述兩點，參考設(shè)計提供最簡單的方法來評估系統(tǒng)和縮短上市時間，或者更恰當(dāng)?shù)卣f，縮短達到更高效率的時間。