【導讀】LLC 變換器的設計涉及眾多的設計決策與關(guān)鍵參數，而且很多因素相互關(guān)聯(lián)。任何一個(gè)設計選擇都可能影響系統中的許多其他參數。LLC 諧振腔的設計是其中最大的挑戰，因為它決定了變換器響應負載、頻率和電壓變化的能力。因此，設計人員必須正確定義變換器負載和頻率的工作范圍，因為這些值會(huì )影響諧振腔的值與參數來(lái)。

本系列的兩篇文章將討論 LLC變換器設計的關(guān)鍵考量因素。 第I部分 探討了各種電源開(kāi)關(guān)拓撲和 LLC 諧振腔的特性。本文為第II部分，將介紹 LLC 變換器設計中的重要參數，包括增益、負載、頻率和電感。

LLC變換器增益

影響LLC 變換器增益的兩個(gè)模塊是諧振腔和變壓器。諧振腔增益是可變的，具體取決于負載 (Q)、歸一化頻率 (f_N)和歸一化電感 (L_N)。變換器的增益響應 (M_G為Q, L_N和f_N的函數，通過(guò)公式 (1) 來(lái)計算：

變壓器增益則由變壓器原邊線(xiàn)圈的匝數與副邊線(xiàn)圈的匝數之比定義。該比率由變壓器的物理結構定義，所以一旦變換器開(kāi)始工作，就不能輕易改變。

圖 1 顯示了 LLC 變換器的增益路徑。

圖 1：LLC 變換器的增益路徑

圖 2 顯示了帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖。

圖 2：帶變壓器的 LLC 諧振腔原理圖

變換器的總增益 (V_OUT / V_IN) 為兩個(gè)增益的乘積，可通過(guò)公式 (2) 來(lái)估算：

其中 n 為變壓器的匝數比，M_G則為 LLC 諧振腔增益。

理想情況下，諧振腔不會(huì )放大或衰減信號，而是濾除諧波。這意味著(zhù)諧振腔的標稱(chēng)增益應為 1，并且變壓器應是改變輸出電壓電平的唯一階段。

但實(shí)際上，LLC 變換器常用于 AC/DC變換器。AC/DC 變換器通常由一個(gè) AC/DC + PFC 轉換級和一個(gè) LLC DC/DC 變換器組成，用于將電壓降到所需的水平（參見(jiàn)圖 3）。

圖3: AC/DC變換器功能模塊

AC/DC + PFC 級將 AC 輸入電壓 (V_IN) （例如來(lái)自 AC 電源的功率）轉換為穩定的 DC 電壓，同時(shí)還保持輸入電流與 V_IN 同相。PFC 級對確保設計符合國際標準（包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR）規定的各項功率因數規范十分必要。AC/DC + PFC 級的輸出電壓 (V_OUT) 在理想情況下是穩定的，但由于組件的非理想化， AC/DC 輸出端往往會(huì )出現電壓紋波，這通常是寄生電感和電容ESR導致的，這種電壓紋波也會(huì )出現在 LLC 變換器的輸入端。

由于變換器的 V_IN 和變壓器固定增益帶來(lái)的變數，LLC 諧振腔需要補償 V_IN 帶來(lái)的變化以獲得恒定的 V_OUT。因此，如果 V_IN 低于標稱(chēng)值，諧振腔可稍稍放大信號以產(chǎn)生最大諧振腔增益；如果 V_IN 超過(guò)標稱(chēng)值，則最小諧振增益可確保變壓器原邊繞組處的電壓穩定在標稱(chēng)值，以保持穩定的 V_OUT。

標稱(chēng)諧振增益 (M_{G_NOM}) 可以使用公式 (3) 來(lái)計算 (M_{G_NOM})：

最大諧振增益 (M_{G_MAX}) 可以使用公式 (4) 來(lái)計算：

最小諧振增益 (M_{G_MIN}) 可以使用公式 (5) 來(lái)計算：

圖 4 顯示了 LLC 變換器的增益響應以及所需的最大、最小和標稱(chēng)諧振腔增益值。

圖 4：LLC 變換器增益響應

LLC變換器負載

如 第I部分所述，負載通過(guò)品質(zhì)因數 (Q) 來(lái)表示，它影響諧振腔的最大增益以及峰值增益頻率。諧振腔的峰值增益隨負載的增加而降低。因此，即使在最壞的情況下(即負載最大時(shí))，滿(mǎn)足最大增益要求也是非常重要的。

圖 5 顯示了 LLC 變換器對一系列負載的頻率響應。

圖 5：LLC 變換器頻率響應

LLC變換器開(kāi)關(guān)頻率

負載對增益的影響是無(wú)法控制的，但可以通過(guò)改變 MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率 (f_SW) 來(lái)保持電路增益。如圖 5 所示，盡管負載會(huì )影響變換器的最大增益，但增加負載也會(huì )將頻率 (f_{MG_MAX}) 拉至更高水平，并產(chǎn)生最大增益。

圖 6 顯示了 LLC 諧振腔中一系列不同負載的最大增益點(diǎn)，以虛線(xiàn)繪制。這條線(xiàn)將增益響應分為兩個(gè)不同的區域。在感性區域（右側），發(fā)生零電壓切換，并且增益隨著(zhù)頻率的降低而增加，直至達到峰值增益頻率。然后變換器進(jìn)入容性區域（峰值增益頻率的左側），在該區域降低頻率也會(huì )降低增益。感性區域允許通過(guò)頻率變化進(jìn)行穩定的增益控制。

圖 6：頻率響應的容性區域和感性區域

一般不建議進(jìn)入容性區域，因為當低邊MOSFET (LS-FET) (S2) 晶體管的體二極管處于反向恢復狀態(tài)時(shí)，高邊MOSFET (HS-FET) （S1） 可能導通（參見(jiàn)圖7）。這會(huì )造成潛在的半橋直通條件，從而導致 S2發(fā)生故障，或者，至少會(huì )降低變換器的效率。

圖 7：電源開(kāi)關(guān)中的直通電流

不同的負載產(chǎn)生不同的頻率響應和最大增益頻率。要確定最小f_SW，需要考慮最壞情況，即從最小負載轉換至最大負載時(shí)（參見(jiàn)圖 8）。當負載較小時(shí)，變換器工作在感性區域，但如果負載突然增加，工作點(diǎn)將進(jìn)入容性區域。因此，應增加最小頻率 (f_MIN) 以確保所有負載的工作點(diǎn)都保持在感性區域。

圖 8：負載轉移對工作區域的影響

因此，要建立穩定的頻率范圍， f_MIN 必須等于過(guò)載情況下變換器的最大增益頻率 (f_OVERLOAD)（參見(jiàn)圖 9）。

圖 9：開(kāi)關(guān)頻率的穩定、不穩定和工作窗口期范圍

一旦得到變換器的最小頻率，就可以建立一個(gè)工作 f_SW 范圍。變換器的最大頻率(f_MAX) 受控制器和 MOSFET 最大頻率的限制。但工作窗口期不需要很大，它可以通過(guò)最大和最小增益頻率來(lái)定義，只要處于穩定頻率范圍即可。

LLC 諧振腔電感

歸一化 L_N 定義了峰值增益斜率，該斜率標志著(zhù)感性區域和容性區域之間的界限，如圖 10 所示。 在相同負載條件下，諧振腔的峰值增益取決于歸一化 L_N。

圖 10：具有不同歸一化電感的 LLC 變換器的最大增益曲線(xiàn)

較小的 L_N 可為更廣范圍的負載和操作提供高增益。另一方面，較小的 L_N 也會(huì )帶來(lái)較高的磁化電流，并使效率降低。

要選擇適當的歸一化 L_N值，設計人員需要考慮負載最大時(shí)的最壞情況。L_N 的選擇必須能夠提供足夠的增益來(lái)補償 V_IN的任何缺陷，即使在過(guò)載條件下也是如此。

結語(yǔ)

LLC 變換器的設計是一個(gè)漫長(cháng)而復雜的過(guò)程，需要根據特定的應用要求考慮多種因素。由于大量的參數以及這些參數之間的關(guān)系，設計過(guò)程通?？缭蕉啻蔚c計算，可能導致設計時(shí)間過(guò)長(cháng)。而MPS 提供 LLC設計工具 以及以及可配置的LLC 控制器 MPF32010等工具，可以顯著(zhù)加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。

來(lái)源：MPS

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