高频LLC转换器提升电源效率减少PCB面积

在高压电源转换电路设计中，诸如电源噪声、开关频率、开关损耗、电源体积、可靠性等问题一直是关键所在。与其它的高压拓扑结构相比，LLC转换器因效率高且设计的电源体积小，在高压电源适用领域一直受到设计师的青睐，不过其设计难度也非常大。Power Integrations公司(PI)不久推出的HiperLCS系列LCS700-708高压LLC电源IC，将变频控制器、高压端和低压端驱动器以及两个MOSFET同时集成到了一个低成本封装中，具有出色的设计灵活性，其最高负载效率超过97%，并利用高频开关来减小变压器的尺寸和输出电容的占板面积，由此达到缩小电源尺寸的目的。图1所示为HiperLCS功率级的电路简图，其中LLC谐振电感集成在变压器中。变频控制器通过零电压(ZVS)开关功率MOSFET，消除开关损耗，从而达到高效率。
设计结构和关键特性

　　LLC转换器设计比较复杂，最大的挑战是需要合理配置所有电路以消除交叉传导，并对各种寄生元件进行精确的控制。据PI产品市场经理Andrew Smith介绍，HiperLCS集成了关键元件，包括多功能控制器、高压端和低压端栅极驱动以及两个功率MOSFET的LLC半桥功率级(可最多省去30个外围元件)，并在制造过程中进行了微调以优化驱动器中MOSFET的配对。该器件中的变频控制器提供零电压开关，从而消除了开关损耗。

　　HiperLCS器件的最高工作频率为1MHz，额定稳态工作频率可达500kHz，并允许在输出环路中使用低成本的SMD陶瓷电容，从而取代体积大、可靠性差的电解电容，同时还可降低所需磁芯的尺寸。它还可在750kHz峰值开关频率下实现出色的变压器利用率。另外，HiperLCS器件具有精确的占空比对称性可平衡输出整流管电流，从而提升效率。在300kHz下典型值为50% ±0.3%。

　　考虑到设计需求的不同，HiperLCS器件有两种使用方式。对于高效率设计，其谐振控制电路可提供极低的功率损耗，能使设计在66kHz额定开关频率下达到97%以上的效率。如果成本和尺寸决定设计准则，可优先采用高开关频率。在后面这种情况下，仍能实现较高效率，例如，在250kHz(获得最大功率的频率)下效率可达96%。 此外，HiperLCS器件允许用户通过设置死区时间和软启动等关键电路参数来获得最佳方案，从而达到改进设计的目的。在设计过程中，设计工程师可以应用PI的实时设计和建模工具PI Xls简化电源设计。

　　保护及封装

　　与PI其它电源IC一样，HiperLCS具有全面的故障处理及电流限制，包括可编程的电压缓升/跌落阈值和迟滞，欠压(UV)及过压(OV)保护，可编程的过流保护(OCP)，短路保护(SCP)和过热保护(OTP)。在封装上，HiperLCS系列采用的是适合高功率及高频率的超薄eSIP-16C封装，该封装能够降低装配成本并减小PCB布局的环路面积，可通过一个夹片快速安装到散热片，可省去多个用于外部MOSFET的TO220封装(图2)。其外露的散热金属部分与地电位相连，使得封装和散热片之间无需Silpad导热绝缘垫片。eSIP-16C的封装引脚交错排列，可简化PCB的走线路径并满足高压爬电要求，HiperLCS的推出完善了PI端到端的完整的电源产品，包括EMI滤波电路、PFC级和主电源及待机级电源。“采用HiperLCS器件的设计可轻松超出ENERGY STAR4.0和5.0，以及80PLUS金级和银级PC能效标准所设定的性能基准。”Andrew表示，“HiperLCS可以与HiperPFS PFC等产品配合设计功能完整、高效率、低元件数的电源，可应用于服务器、工控、LCD电视机、LED路灯和室外照明、打印机和音频放大器等75W~440W的高压电源。”