LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的輸出電壓調(diào)節(jié)

對(duì)于采用零電壓開關(guān)的諧振轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)必須確保電流波形始終滯后于電壓波形。這種情況在負(fù)載為電感型時(shí)發(fā)生，并且頻率高于諧振頻率。在增益特性方面，電壓增益隨頻率下降?？刂齐娐房赏ㄟ^改變輸入方波的頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，這會(huì)改變系統(tǒng)增益，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)過的輸出電壓。

最理想的情況是，增益特性與負(fù)載條件無關(guān)，而且增益和頻率范圍都應(yīng)該很易于調(diào)節(jié)?？上У氖?，這些特性都極難實(shí)現(xiàn)。以標(biāo)準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器為例，串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的負(fù)載范圍很窄，因?yàn)樵鲆嫣匦噪S負(fù)載變化很大；而并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很窄，輕載下效率也很低。LLC轉(zhuǎn)換器則可以避免這些問題。

標(biāo)準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中有兩個(gè)組件決定諧振頻率：電感 (L) 和電容 (C)。LLC轉(zhuǎn)換器是串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，有一個(gè)額外的電感 (L) 與其它兩個(gè)組件串聯(lián)，故名為L(zhǎng)-L-C轉(zhuǎn)換器。圖1所示的諧振電路即是一個(gè)LLC轉(zhuǎn)換器電路。在該電路中，Cr 為諧振電容。兩個(gè)電感值分別為集成式變壓器的勵(lì)磁電感(Lm) 和總漏電感 (Llkp 加 Llks)。在某些情況下，第二個(gè)電感值可以由一個(gè)外部獨(dú)立電感來實(shí)現(xiàn)，這種通常用于更高的功率級(jí)。

相比其他諧振轉(zhuǎn)換器，LLC 轉(zhuǎn)換器在變化負(fù)載條件下具有良好的調(diào)節(jié)性能。它要求線路輸入電壓控制良好，故一般需要PFC 前端高性能工作。業(yè)界對(duì)它的了解遠(yuǎn)不及雙管正激拓?fù)?。它的頻率范圍比雙管正激拓?fù)鋵?，但比其它諧振轉(zhuǎn)換器要窄得多。

圖2顯示了一個(gè)LLC轉(zhuǎn)換器的增益特性。在增益與頻率的關(guān)系圖中，給出了不同負(fù)載條件下的增益曲線。LLC 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)諧振頻率。如箭頭所指，較低的諧振頻率在60kHz左右；較高的則為100kHz。所有曲線，不論負(fù)載如何，都相交于第二個(gè)諧振頻率處。

對(duì)于這種設(shè)計(jì)，諧振頻率下的增益為1.2。因此如果輸出電壓設(shè)定為12V、匝數(shù)比為40:1，那么這將出現(xiàn)在400V輸入電壓下。不論負(fù)載如何，忽略損耗情況，頻率將保持不變。

為了便于說明，我們假設(shè)輸入電壓上升到480V，這時(shí)控制電路必需把增益降低到1.0，才能保持12V的輸出電壓。在這種情況下，頻率將在滿載下的115kHz和 20% 負(fù)載條件下的130kHz之間變化，從圖中可看出，正是對(duì)應(yīng)的負(fù)載條件下的增益曲線與增益＝1.0這條線相交處的頻率。

這顯示出當(dāng)偏離設(shè)計(jì)的輸入工作電壓時(shí)， 頻率便會(huì)發(fā)生一些變化，輕負(fù)載下開關(guān)損耗就會(huì)增加。總而言之，LLC轉(zhuǎn)換器在恒定輸入電壓下工作性能最好，比如由 PFC 級(jí)提供電壓。通過設(shè)計(jì)，它們可適用于某個(gè)地區(qū)的電壓輸入范圍，比如195VAC – 265VAC。

圖2：LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線示例

對(duì)于更高的功率級(jí)，它通常都帶有功率因數(shù)校正 (PFC) 前端級(jí)。LLC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)使得幾乎在所有工作條件下PFC級(jí)都產(chǎn)生恒定輸出電壓，在此電壓下，頻率不隨負(fù)載改變而變化。對(duì)于缺失輸入半波的情況下，就需要一些額外的增益，這就是所謂的“保持” (hold-up) 時(shí)間要求。

采用FSFR2100的電路實(shí)例

圖3所示為采用FSFR2100實(shí)現(xiàn)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，輸入由PFC級(jí)提供。它采用26mm x 10.5mm x 3.2mm的超小型封裝，集成了600V高壓控制IC和2個(gè)600V MOSFET。這種諧振轉(zhuǎn)換器的效率相當(dāng)高，無需散熱器即可處理高達(dá)200W的功率，從而使設(shè)計(jì)更為緊湊。而標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浔匦枭崞鞑拍芴幚?00W電源。

圖3：采用FSFR2100的典型LLC諧振轉(zhuǎn)換器電路

組件Rdamp、Dboot 和 CHVcc構(gòu)成內(nèi)部驅(qū)動(dòng)高端MOSFET所需的自舉式 (bootstrap) 電路，可以利用一個(gè)電阻 (Rsense) 和濾波電路 (RLPF 與 CLPF) 來感測(cè)電流，以檢測(cè)正常和非正常過流情況。正常過流保護(hù)電路有1.5 us的延時(shí)，而非正常過流保護(hù)電路延時(shí)為50ns。非正常過流保護(hù)電路可迅速檢測(cè)出嚴(yán)重的故障，例如輸出二極管短路。過流保護(hù)容忍激活之前輸出端的暫時(shí)過載，時(shí)間由CON引腳上的定時(shí)電容CB (帶1.5us的固定延時(shí)，以消除噪聲) 決定。

CON引腳還可控制LLC控制器的開和關(guān)。FSFR2100帶有突發(fā)模式，該模式會(huì)先有一連串的諧振活動(dòng)發(fā)生，然后就有一段無開關(guān)期，這樣可以提高輕載條件下的效率。CON控制用于進(jìn)一步提升帶有輔助電源電路的待機(jī)性能。如果沒有輔助電源，器件便由一個(gè)輔助線圈供電。當(dāng)LVcc電壓過大時(shí)，過壓保護(hù)電路會(huì)關(guān)斷器件。在器件由輔助線圈供電的應(yīng)用中，它可用作輸出過壓保護(hù)電路。

圖中顯示的LLC諧振電路如前所述。在這個(gè)例子中，輸出整流模塊使用了D1 和 D2這2個(gè)輸出二