LLC 轻载下输出特性分析及保持输出电压可控的解决方案

LLC 拓扑凭借其全负载范围原边开关管的零电压开通(ZVS)、副边二极管或同步整流开关零电流关断(ZCS)、EMI 特性好、电路结构简单以及成本较低等诸多优异特性，在照明驱动、电视电源、工业电源、服务器 / PC 电源、通信电源等消费及工业领域的 DC - DC 级得到了广泛应用。然而，在实际应用中发现，LLC 拓扑在轻载及空载情况下，即便工作频率范围很宽，输出电压仍常常超出规格要求，这与基于基波近似法(FHA)计算得到的直流增益曲线理论不相符。因此，深入分析该问题产生的原因，并寻找有效的解决方案具有重要的现实意义。

LLC 轻载下输出电压异常现象

对于 LLC 拓扑，依据常用的基波近似法计算的直流增益曲线，在负载很轻甚至为零的情况下，只要工作频率足够高，输出电压应能稳定在规格要求范围内。但在众多采用该拓扑的产品中，普遍存在轻载下输出电压无法稳定在规格要求内，且往往高于规格上限的情况，即便 LLC 已工作在极高频率。

在轻载及空载条件下，原边 MOSFET 进行开关切换过程中，激磁电感会与原边 MOSFET 的输出电容产生谐振，该谐振能量部分传递到副边，致使输出电压升高。当 MOSFET 的输出电容较小时，轻载下直流增益曲线出现上翘现象，进一步导致输出电压难以保持在规格要求范围内。

原因分析

3.1 变压器原边等效并联电容

变压器存在寄生电容，在轻载及空载时，其原边等效并联电容会对电路产生影响。变压器的寄生电容无法完全消除，它与电路中的其他元件相互作用，改变了电路的谐振特性，使得在高频段直流增益曲线出现异常变化，进而导致输出电压超出规格范围。例如，文献中提到的 “分离式绕法” 和 “累进式” 绕制方法虽能减小寄生电容，但会增加绕制复杂性和变压器成本。

3.2 原边 MOSFET 输出电容

原边 MOSFET 的输出电容大小对轻载下的输出特性影响显著。输出电容较小时，轻载时直流增益曲线会出现上翘。这是因为较小的输出电容在与激磁电感谐振时，更容易将谐振能量传递到副边，从而使输出电压升高且难以控制在规格范围内。相反，原边 MOSFET 的输出电容越大，相同工作频率下直流增益曲线越低，输出电压相对更容易控制在规格范围内。

保持输出电压可控的解决方案

4.1 减小变压器等效并联电容

这是解决问题的直接方案，但实施难度较大。虽然可采取措施尽量减小变压器的寄生电容，如采用特殊绕制方法，但这些方法会使绕制复杂性增加，导致变压器价格上升。

4.2 原边 MOSFET 并联电容

通过在原边 MOSFET 上并联电容来增大等效输出电容，可有效控制输出电压。此方法操作简单，但缺点是会增加 MOSFET 开关损耗，降低转化效率，尤其在轻载时效率降低明显。

4.3 谐振电感并联电容

对于谐振电感为独立电感的应用，在谐振电感上并联一个电容，可生成新的 LLC 谐振点。理论上，该多谐振 LLC 拓扑在任何负载下输出电压都可低至零。设计时需合理选择并联电容值，确保 LLC 的最高工作频率不超过新谐振点对应的频率。

4.4 增加变压器原副边匝比

通过增加变压器原副边匝比(多数通过增加原边绕组匝数)，使 LLC 拓扑在轻载情况下工作于谐振点附近，可忽略寄生参数对输出电压的影响，从而更易将轻载下输出电压稳定在规格范围内。但设计时需确保满载及过流保护前等情况下直流增益峰值足够高，以保证这些情况下输出电压的稳定。

4.5 变换器工作于打嗝模式

让 LLC 拓扑在轻载情况下进入打嗝(burst)模式，既能保持输出电压在规格范围内，又可减小轻载下的输入功率，提高轻载效率。然而，该模式会使输出电压纹波变大，在一些对电压纹波要求严格的应用场景中(如服务器电源、PC 电源等)无法适用。

4.6 减小副边二极管 / 同步整流管寄生电容

由于变压器原边等效并联电容部分来源于副边二极管或同步整流管的等效输出电容，因此选择输出电容较小的二极管或者 MOSFET 有助于稳定输出电压。文献中还提出在输出二极管或同步整流管上并联特定电路，将部分能量反馈到原边侧，以维持轻载及空载下输出电压的稳定。

4.7 轻载下关闭同步整流管

对于副边为同步整流的设计，在轻载时关闭同步整流的驱动可有助于保持输出电压稳定。但关闭同步整流驱动后，负载突然加重时，由于体二极管与同步整流导通时的压降差异，会导致输出电压出现过冲现象，所以设计中需综合考虑该措施的可行性。

结论

LLC 拓扑在轻载及空载情况下输出电压超出规格要求的现象，主要由变压器原边等效并联电容和原边 MOSFET 输出电容导致。通过对这些原因的深入分析，本文提出了多种可行的解决方案，包括减小等效电容、原边 MOSFET 并联电容、谐振电感并联电容、增加变压器原副边匝比、工作于打嗝模式、减小副边二极管 / 同步整流管寄生电容以及轻载下关闭同步整流管等。这些方案各有优缺点，在实际应用中，电源开发工程师可根据具体的应用场景和性能要求，选择合适的解决方案来解决 LLC 拓扑轻载下输出电压偏高的问题，确保 LLC 拓扑在各种工况下都能稳定、高效地运行。