如何设计llc谐振转换器主功率拓扑

llc谐振转换器是led tv的主功率级拓扑之一，相比其它转换器具有更多优势，但因为其设计复杂困难，所以在过去很少受到关注。不过，这几年间，ic制造商已开发出用于 llc 谐振转换器的控制器，而且发表了许多相关技术说明和设计工具，让其设计变得更容易，并使得这种技术获得更多的关注。llc谐振转换器已经成为 led tv最流行的主功率级拓扑。

llc谐振转换器的出色优点有： 　a) 在整个负载范围(包括轻载)下都是以zvs (zero voltage switching, 零电压开关)条件工作，从而实现高效率; 　b) 工作频率变化范围比较窄，便于高频变压器和输入滤波器的设计; 　c)初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电压上，而次级端两个二极管上的电压始终等于中心抽头变压器输出电压的两倍。

许多高效率电源在设计时可以使用有源钳位反激(ACF)变换器或LLC开关IC来实现其设计目标。在实际设计时，究竟应该选择哪一种呢?一些设计工程师会根据个人偏好、熟悉程度以及在某些特别应用当中过去常用的历史经验来做出相应的选择。然而，当面对两种或更多可能的解决方案时，最佳方案的选取则取决于合理的工程推理、设计要求以及产品效率、尺寸、BOM、功率密度、设计简易性的优先级别以及其它影响设计的一些因素。

Power Integrations (PI)面向电视机、显示器和大功率充电器应用提供全系列高度集成的反激式变换器，这些器件均采用超薄封装。我们还提供一系列新的LLC开关IC，与我们的新型HiperPFS™-5功率因数校正(PFC)前级IC搭配使用时，可在相同的应用当中以极高的效率提供高达240W的功率输出。

LLC 谐振转换器的基本电路如下所述。LLC 谐振转换器一般包含一个带mosfet的控制器、一个谐振网络和一个整流器网络。控制器以50%的占空比交替为两个mosfet提供门信号，随负载变化而改变工作频率，调节输出电压vout，这称为脉冲频率调制(pfm)。谐振网络包括两个谐振电感和一个谐振电容(LLC )。谐振电感 lr、lm 与谐振电容cr 主要作为一个分压器，其阻抗随工作频率而变化(如式1所示)，以获得所需的输出电压。

我们可能已经考虑将 LLC 串联谐振转换器 (LLC-SRC) 放入到我们的下一个电源项目中。LLC-SRC 通常隐藏在另一个调节良好的功率级后面，如图 1 中的示例。这在电路成本方面并不理想，因为两级 PSU的BOM 成本总是高于单级 PSU。我们想要的是用可提供更高效率和更低 EMI 并避免增加 BOM 成本的替代拓扑来替换旧设计中的反激式转换器。LLC-SRC 真的被单级低成本拓扑选择标准 排除了吗?

图 1. 通用两级离线电源单元的功率级。

由于对输入电压变化的敏感性，LLC-SRC 在 LLC-SRC 前面需要另一个功率级。设计人员通常插入另一个功率级以为 LLC-SRC 提供良好调节的输入电压，因为它优化了 LLC-SRC 效率。一般来说，LLC-SRC 效率在两级 PSU 中可以 > 94%。

如果我们认真看了PMP5141设计示例，我们会发现PMP5141中的 LLC-SRC只能在 280V DC至 400V DC输入范围内工作。如果我们在单级 AC-DC 离线 PSU 中使用PMP5141 LLC-SRC 级，我们可能只接受 240V AC +/-10% 输入。此时，LLC-SRC 工作输入电压范围现在需要更宽。

较高的 L m /L r比率导致较窄的调节范围。因此，如果我们降低 L m /L r比率，则工作输入电压范围有能力扩大。PMP5141的比值接近 5。如果我们减小它的 L m使 L m /L r比值 3，最小输入电压可以低至 220V DC，如图 2 所示。LLC-SRC 参数现在是针对具有 176V AC至 276V AC输入范围的单级 PSU 进行了优化。

图 2. L r =72µH、Cr=0.033µF、n=8.333 和 Pout=240W的 LLC-SRC 的电压增益。

上面的示例说明了如何降低 L m /L r比率使单级 LLC-SRC PSU 成为可能。降低 L m的一个问题是 L m越小，初级侧的循环电流越高，这会降低转换器效率。请记住，我们现在是单级 PSU，我们没有像以前那样在 LLC-SRC 前面的功率级上降低效率。

PMP10283 是一款单级 LLC-SRC PSU，设计用于 88VAC-132VAC 或 176VAC-264VAC 输入，+/-30V/200W 输出。PMP10283 参考设计通过交流线路电压向单 LLC 谐振转换器级提供 30V/100W 和 -30V/100W 的输出。该设计的特点是电路成本低且效率高(120VAC 满负荷时效率超过 90%;240VAC 满负荷时约为 92%)。该设计使用适用于 LLC 谐振转换器的 UCC25600 谐振转换器控制器。

特性

· 88VAC-132VAC 或 176VAC-264VAC 输入

· +/-30V 200W 输出

· 转换器效率高达 92%

· 单级 AC-DC LLC-SRC

· 电路成本低

比较两级PMP5141的总效率时 和单级PMP10283 在图 3 中的 PSU 中，单级 LLC-SRC PSU 的性能要好得多。单级 LLC-SRC 效率可以与两级 PSU 一样好，并且提供更低的 Bom 成本。

图 3. PMP5141的总效率 和PMP10283。

LLC谐振转换器工作区域

LLC谐振转换器有不同的工作区域，包括轻负载、中负载和重负载。在不同的负载条件下，LLC谐振转换器会有不同的性能表现。

3.1. 轻负载

在轻负载条件下，负载功率较低，LLC谐振转换器的输出电流相对较小。此时，LLC谐振转换器可以进入轻负载模式，通过降低开关频率或者采用脉宽调制(PWM)控制方式来实现能量转换。这样可以减小开关管的损耗，提高转换效率，并且减少电磁干扰的产生。

3.2. 中负载

在中负载条件下，负载功率适中，LLC谐振转换器的输出电流较大。此时，LLC谐振转换器可以处于正常工作模式，根据负载需求和输入电压波动进行自适应调节。通过控制开关管的开关时间和频率，保持主线圈和副线圈之间的谐振状态，实现高效的能量转换。同时，控制电路还可以对LLC谐振转换器进行保护控制，避免过载和过压等异常情况的发生。

3.3. 重负载

在重负载条件下，负载功率较高，LLC谐振转换器的输出电流达到最大值。为了满足大功率输出需求，LLC谐振转换器需要通过调节开关管的开关时间和频率，保持主线圈和副线圈之间的谐振状态。此时，LLC谐振转换器可能需要采用增加谐振电容或者改变谐振回路参数的方式来提供更大的功率转换能力。在重负载工作区域，LLC谐振转换器仍然能够保持较高的转换效率和稳定性。

综上所述，LLC谐振转换器是一种高效率、低电磁干扰的电力转换器。它通过谐振技术，在不同的负载条件下实现能量的高效转换。LLC谐振转换器具有宽输入输出范围的特点，适应性强，并且可以根据负载需求自动调节工作模式。无论是在轻负载、中负载还是重负载条件下，LLC谐振转换器都能够提供稳定的功率转换，并具有较高的效率和可靠性。在未来的绿色能源、电动车充电和电网接口等领域，LLC谐振转换器有着广阔的应用前景。