基于UC3863控制的LLC谐振变换器的设计及仿真

摘要：设计了一种以UC3863芯片为核心控制芯片的开关电源，其电路采用半桥结构的LLC谐振电路，带有PFC电路，且整个电路设计有自限流功能。分析了LLC谐振变换器整个电路的工作原理及自限流功能的实现。结合交流220 V输入1KW输出电路，分别对PFC电路和主电路进行仿真，仿真结果验证了该设计的可行性。
关键词：开关电源；LLC谐振；PFC电路；自限流；UC3863

    随着通信产品的小型化发展，对开关电源的性能要求方面也越来越高，促使电源向高频、高可靠、低耗和小型化的趋势发展，同时促进开关电源在高新技术领域更加广泛的应用。在开关电源向高频化和小型化的发展过程中，其中开关损耗问题是制约其发展的一个重要因素，软开关技术能够较好的解决开关损耗的问题。
    LLC谐振变换器以其拓扑结构简单，可以实现初级开关管零电压开通和次级输出整流管的零电流关断，开关损耗低、可高频化，副边整流二极管电压应力低，在高输出电压应用情况下可以实现较高的效率等优点成为近年来的一个研究热点。但是LLC谐振变换器的拓扑在其实际的应用过程中还存在着许多问题，当出现电路启动、负载过流或短路情况时如何限制电路中的电流以防止电路损坏就是其中的一个主要问题。在文献中提出了一种具有自限流功能的新型拓扑结构以解决此问题。本文对此拓扑进行研究，并以此设计了一个具有自限流功能的LLC谐振电源，并用软件对其电路进行了仿真。

1 LLC谐振通信电源的电路组成
    LLC谐振变换器的电路主要由整流桥、PFC电路、DC／DC变换、输出整流滤波电路以及控制反馈保护回路等环节组成，是一个完整的闭合系统。LLC谐振电源的系统图如图1所示。

    其中PFC电路是由UC3854芯片为核心控制芯片构成的经典电路，在整流电路后加入LC谐振，输出直流电压稳定在400 V。DC／DC变换电路采用LLC谐振电路，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性过零点，使得开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。

2 控制电芯片内部结构
    图2所示为控制芯片UC3863的内部结构框图。查其数据手册可知，UC383是一款零电压准谐振变换器变频控制芯片，可以产生最小10 kHz到最大1 MHz之间的可变的频率信号。

    芯片UC3863内部结构如图2所示。主要包括一个误差放大器(E／A)，一个压控振荡器(VCO)产生最大、最小的可变频率，一个过零检测比较器的单稳定时发生器(OneShot)，两个输出驱动器，一个5 V偏置电压发生器，一个欠压锁定电路(UVLO)以及故障软启动电路。欠压锁定(UVLO)的作用是Vcc电压低于UVLO的上限值时芯片输出为低电平。只有超过上限值时，5 V电源才会工作提供电源输出。故障软启动电路具有软启动和重启延时的功能，以及提供了一个精密参考，可设定VCO的最大、最小频率分别为
   
    两路推拉驱动电流的峰值为1 A，具有过零检测、死区设置、欠压封锁等功能。UC3863两路输出的差值经变压器驱动功率开关管。

3 主电路及自限流功能的实现
    图3所示为LLC谐振变换器主电路图。其构成主要有功率管S1和S2；变压器T1；谐振元件，包括谐振电容Cr，电感Lr和激磁电感Lm；半桥全波整流二极管D1和D2以及输出电容C0。

    由上图可知，具有自限流功能的LLC谐振变换器与传统的LLC变换器相比，仅多了1个变压器T2和2个二极管D3及D4，构成自限流电路。其工作原理为：在正常工作情况下，自限流电路不起作用，电路和传统的谐振电路工作原理相同。当过流和短路情况出现时，谐振电容两端的电压升高，致使变压器T2的电压随之升高。当变压器T2副端电压Vo超过输出电压时，自限流电路二极管D3、D4交替导通，从而使谐振电容电压被钳位，此时谐振电流也随之被钳位。当此谐振变换器短路工作时，特别是在控制上结合变频方法时，当频率高于谐振频率时比传统的LLC谐振变换器短路电流要小。在控制电路中引入限流环，当电路中突然出现过流情况时，限流环起作用使输出电压降低，从而可以进一步限制电路中电流的上升。

4 主要元件参数计算
    输入电压范围：；额定输入电压：。输出电压电流：Vo=50 V，Io=20 A；输出功率：Po=1 kW；谐振频率fr=100kHz。
    1)理论变压比
   
    其中Vd为二极管压降
    2)最高、最低输入电压增益
   
    3)计算输出负载电阻和等效负载阻抗
   
    4)计算品质因数Q，开关最大频率fmax、最小频率fmin以及谐振网络主要参数
    设定k=3
   
    根据计算，选定的参数如下：变压器比16：4：4；开关管Q1、Q2：ixfk44n50；输出整流管D1-D4：ixfk44n50。

5 半桥谐振开关电源的实现
    图4所示为以UC3854芯片为核心控制芯片的PFC电路图，其交流输入范围为150～250 V，额定交流输入220 V，额定直流输出400 V。

    图5所示为LLC谐振开关电源工作电路图。电路的输出电压经采样后接到芯片IN端，输出电流经过电流反馈环采样，与1m393的给定电压比较后接入芯片Fault端。将芯片(E／A)的负端接到芯片Soft-Ref脚。当电路中谐振电流过大时，1m393输出高电平，当芯片Fault脚电压超过3 V从而使芯片输出低电平，即芯片被关断。同时，电路中谐振电流上升使自限流电路开始工作，二极管D3和D4交替导通，谐振电容电压被钳位，从而使谐振电流被钳位，芯片重新启动。

6 电路仿真波形及分析
    根据以上方案，设计了功率为1 kW用于通信电源的LLC谐振开关电源。其规格参数如下：交流150～250V输入，输出直流电压为50 V，功率1 kW。以此样机为基准，用Saber软件对PFC电路及LLC谐振变换主电路进行仿真。
    1)PFC电路的仿真波形
    交流输入电压为150 V、220 V及250 V时的PFC电路直流输出电压波形为图6所示，由此波形可以看出，PFC电路能够稳定输出直流电压。

    2)LLC谐振主电路仿真波形
    图7所示是电路分别在额定负载和空载下驱动电压、谐振电压、电流波形。由波形图可知，在负载发生变化时驱动电压没有发生变化；当输出满载时，变换器工作在谐振点附近，谐振电感和谐振电容谐振，励磁电感不参与谐振，谐振电流波形近似半个正弦波；当输出负载为空载时，谐振电流呈现三角波，该电流为励磁电感电流，它为主电路开关管实现ZVS创造条件。

    图8所示为额定输入400 V时，在短路情况下测得的主变压器原边电流波形和谐振电容两边电压波形。在短路时，谐振电压以及原边电流稳定自限流电路发挥作用。

7 结论
    介绍了基于UC3863控制的LLC谐振变换器。分析了整个电路的工作原理以及自限流功能的实现，其主开关管和整流管均能实现软开关，减少了开关损耗。最后通过仿真分析，验证了此设计的可行性。