LLC諧振轉換器原理及設計方案

多種類型的LED TV主功率級拓撲相繼推出，比如非對稱半橋轉換器、雙開關正激轉換器和LLC諧振轉換器。其中，LLC諧振轉換器雖然相比其他轉換器具有更多優勢，但因為其設計復雜困難，所以在過去很少受到關注。不過，這幾年間，IC制造商已開發出用于LLC諧振轉換器的控制器，而且發表了許多相關技術說明和設計工具，讓其設計變得更容易，并使得這種技術獲得更多的關注。現在，LLC諧振轉換器已經成為LED TV最流行的主功率級拓撲。

LLC諧振轉換器的出色優點有：（1）在整個負載范圍(包括輕載)下都是以ZVS(zero voltage switching，零電壓開關)條件工作，從而實現高效率；（2）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計；（3）初級端所用開關的電壓應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。

LLC諧振轉換器可以工作在兩個不同類型的ZVS區域之內。一個被稱為“上區域(above region)”(或上諧振工作區域)，這里，初級端的環流變小，但次級端上的二極管為硬開關。另一個是“下區域”(或下諧振工作區域)，這時，次級端上的二極管可實現軟開關。本文將簡單介紹LLC諧振轉換器的工作原理和工作區域，此外還將討論其設計步驟。

圖1? LLC諧振轉換器的基本電路

LLC諧振轉換器的工作原理
圖1所示為LLC諧振轉換器的基本電路。LLC諧振轉換器一般包含一個帶MOSFET的控制器、一個諧振網絡和一個整流器網絡。控制器以50%的占空比交替為兩個MOSFET提供門信號，隨負載變化而改變工作頻率，調節輸出電壓Vout，這稱為脈沖頻率調制(PFM)。諧振網絡包括兩個諧振電感和一個諧振電容。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(見式1)，以獲得所需的輸出電壓。在實際設計中，諧振網絡可由一個采用如圖2所示的分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感Lm與漏感Llk構成。而整流器網絡對諧振網絡產生的正弦波形進行整流，然后傳輸到輸出級。
? (1)
式中，Vd基本近似等于Vin/2，而Rac基本近似等于8n2Vout/2πIout。
式（2）給出了采用如圖2所示的實際變壓器時，LLC諧振轉換器的電壓轉換比。在式（2）中可觀察到兩個諧振頻率。一個由Lp和Cr決定，記為ωp，另一個由Lr和Cr決定，記為ωr。利用這個公式，可獲得LLC諧振轉換器隨頻率和負載變化的增益特性曲線，如圖3所示。

圖2 采用分段骨架的集成式變壓器(a)，變壓器等效電路(b)

圖3 LLC諧振轉換器的增益曲線和工作區域

圖3中，每條曲線上以符號‘＋’標注的最高值被稱為‘峰值增益’，位于兩個諧振頻率ωp和ωr之間。當輸出負載越來越大時，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動。同時，以符號‘×’標注的ωr時的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負載的變化而變化。增益曲線說明在ZVS狀態下，隨著諧振網絡的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。
(2)
式中。

LLC諧振轉換器的工作區域
如圖3所示，LLC諧振轉換器的工作區域可標注為“＋”的峰值增益和標注為“×”的諧振頻率而分為三部分。首先，以峰值點為界，左邊是ZCS(零電流開關)區(或稱為電容區)，右邊是ZVS(零電壓開關)區(或稱為電感區)。在ZVS區，諧振頻率ωr的左邊是下區(below region)，右邊是上區域(above region)。當LLC諧振轉換器工作在ZCS區時，在開關瞬間有大量反向恢復電流流經MOSFET，故LLC諧振轉換器應該工作在ZVS區，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET的LLC諧振轉換器進入ZCS區。

如上所述，根據工作頻率是大于ωr還是小于ω，LLC諧振轉換器可以工作在上區域或下區域。這還取決于兩種工作模式的不同特性。當LLC諧振轉換器被設計為上區域工作時，流到MOSFET的環流小于下諧振工作上的，MOSFET的傳導損耗因此減小，從而提高效率。不過，次級端上的二極管為硬開關，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復)二極管來防止嚴重的反向恢復電流。鑒于此，像便攜式設備LCD的電源這樣的低壓應用有時會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進行軟導通/關斷，這樣就可以采用普通的快速恢復二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應用的首選。這些應用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。

因此，必須根據應用的規格和特性來選擇LLC諧振轉換器的工作區域。下一節將討論LLC諧振轉換器工作區域的選擇步驟。

下諧振工作的設計步驟
圖4所示為一個LLC諧振轉換器在100%和10%負載條件下的頻域增益曲線。圖中，fop@10%load和fop@100%load 為LLC諧振轉換器的工作頻率，分別是在100%和10%負載條件下調節最大輸入電壓Vin,max對應的額定輸出電壓。Mfr代表諧振頻率fr下的增益，是固定的，不隨負載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區域劃分為上/下諧振工作的關鍵點。因此，當把Vin,max條件下所需增益設定至大于Mfr，則即使輸入電壓和輸出負載都減小，所需增益也必然不會小于Mfr。這意味著LLC諧振轉換器的工作頻率小于對應Mfr的fr，故它總是工作在下區域。下面介紹一個LED TV電源的設計步驟。其輸入電壓由PFC(功率因數校正)提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為350、380和400Vdc，輸出規格為120V/1.5A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導體專為諧振半橋型轉換器而設計的產品。

圖4 LLC諧振轉換器的頻域增益曲線

● 步驟1 選擇m和fr，并計算Mfr
利用式2，諧振頻率fr下的諧振增益Mfr可由下式求得：
????????????????? (3)
式3中，m和fr都由設計人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過小，需要外部電感，因為這時要在集成式變壓器中獲得高值Lr實際上是相當困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr比Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4～7之間是比較合理的。

當m和fr分別設置為6kHz和100kHz時，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。

● 步驟2? 確定最大增益

利用公式（4）可求出所需最小和最大增益：
Mmin=(Vvirtual/Vin,max)Mfr，Mmax=（Vvirtual/Vin，min）Mfr???????????? (4)
式中，Mmin和Mmax分別為最小和最大增益。Vvirtual是對應于諧振頻率的有效輸入電壓。

如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual被設定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設計出的LLC諧振轉換器就會工作在下諧振工作區域。

假定Virtual設為420Vdc并考慮到余裕，Mmin和Mmax可采用式4計算：
Mmin=420/400×1.1=1.16/Mmax=420/350×1.1=1.31

考慮到因負載瞬態和輸入電壓變化，峰值增益應具有一定余裕，增加10%的余裕是比較恰當的，故合理的Mmax值為1.45。

● 步驟3? 確定集成式變壓器的匝數比

利用步驟2中求得的有效輸入電壓Vvirtual和合理的諧振增益Mfr，集成式變壓器的匝數比可由式（5）求得：
n=Vvirtual/2(Vout+VF)???????? (5)
式中，Vout和VF分別是次級端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。如果需要調節匝數比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓Vvirtual即可。在步驟2中，Vvirtual已被設為420Vdc。VF取1Vdc，集成式變壓器的匝數比為
n=420/2(120+1)×1.1=1.9

● 步驟4 確定諧振網絡

圖5 根據峰值增益和不同m值找出正確的Q因子的查找表

利用圖5所示的這種查找表，能夠根據峰值增益和不同的m值找出正確的Q因子。利用m值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖5中選出正確的Q因子。一旦確定了正確的Q因子，諧振網絡的參數就可利用公式（6）求出。
Cr=1/(2πQfrRac），Lr=1/(2πfr)2Cr，Lp=Lr×m??????????? (6)
這里，Cr和Lr分別為諧振電容和電感，Lp為集成式變壓器的初級端電感。

在前面的步驟中，m值選為6，考慮到了余裕的所需最大增益Mmax求得為1.45。通過圖5找出的Mmax對應的正確Q因子為0.35。當諧振頻率為100kHz時，諧振電容Cr為19.1nF。

考慮到出廠電容的標準值，一個22nF的電容就足夠了，最后可得Lr=115μH，Lp=690μH。