引言/摘要

全球?qū)档湍芎牡男枨笳诖龠M(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣。在70W - 500W交流輸入電源中，由于LLC諧振轉(zhuǎn)換器 (效率通常在90%以上) 的效率高于標(biāo)準(zhǔn)電源拓?fù)?，所以其運(yùn)用越來(lái)越廣泛。本文闡釋了諧振轉(zhuǎn)換器高效的原因，并探討了LLC諧振轉(zhuǎn)換器的功能和優(yōu)勢(shì)，最后簡(jiǎn)要分析了一個(gè)采用FSFR2100 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電源。

采用諧振轉(zhuǎn)換器的理由

把能耗降至最低有許多好處：減少溫室氣體排放；減少不可再生能源的使用，以及降低運(yùn)行電源的生命周期成本。電源節(jié)能倡議不僅建議或規(guī)定不同負(fù)載條件下電源的效率，而且還包括了對(duì)待機(jī)功耗的要求。在美國(guó)加州，50W以上的外部適配器的滿負(fù)載效率必須大于85%。80PLUS等自愿性倡議要求電源在20%、50%和100%不同負(fù)載條件下的效率都大于80%。而歐盟正在對(duì)20大類產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，旨在于整個(gè)歐洲范圍內(nèi)推出節(jié)能規(guī)范，在其它地區(qū)的既有規(guī)范和自愿性標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將對(duì)歐盟規(guī)范有重大影響。

功率因數(shù)校正(PFC) 前端是電源常用的一項(xiàng)額外功能，例如80PLUS倡議就要求采用PFC的功能。PFC可以節(jié)省耗電量，避免建筑物內(nèi)第三階諧波電流造成的一些問(wèn)題，而PFC電路一般能產(chǎn)生380V-400V左右的恒定電壓，這種窄輸入電壓范圍大大有利于諧振拓?fù)涞牟捎谩?/p>

以往，前級(jí)臨界連續(xù)Boost升壓PFC和后級(jí)雙管正激拓補(bǔ)，都是100W – 300W功率因數(shù)校正電源的首選拓?fù)?，這種情況直到最近才有所改變。這種拓?fù)浜?jiǎn)明易懂，是隔離型降壓拓?fù)?(正激拓?fù)? 的衍生結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)晶體管代替一個(gè)晶體管，可盡量減小晶體管成本，簡(jiǎn)化變壓器設(shè)計(jì)。此外，這種拓?fù)淠軌蛱幚砗軐挼妮斎腚妷悍秶?，具有很好的輕負(fù)載調(diào)節(jié)性能。不過(guò)，它需要一個(gè)很大的輸出電感，在大負(fù)載條件下的效率低于諧振轉(zhuǎn)換器。

諧振轉(zhuǎn)換器中的零電壓開(kāi)關(guān)

諧振轉(zhuǎn)換器的高效率優(yōu)勢(shì)源于它采用了零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 技術(shù) [注1]。電路中的功率開(kāi)關(guān)在其兩端電壓極低時(shí)導(dǎo)通。由于開(kāi)關(guān)損耗和流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流與開(kāi)關(guān)上的電壓的乘積有關(guān)，而電壓幾乎為零，故導(dǎo)通損耗非常低。

只有在電流波形滯后于電壓波形時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。這種滯后由諧振電路產(chǎn)生，圖1顯示了一個(gè)諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖。首先，利用半橋或全橋的電路把直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為方波，再將方波饋入諧振電路。方波是由正弦基波和一系列高階諧波組成。在初步分析中，可以把方波近似為基波，可忽略高階諧波的影響。

諧振電路產(chǎn)生電壓波形基本分量和輸出電流波形之間所需的相位滯后，其波形非常接近于正弦曲線。諧振電路一般帶有一個(gè)變壓器，既用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；也用作基于安全或電路考慮的隔離。然后，周期性輸出電壓波形被整流，產(chǎn)生所需的輸出直流電壓。關(guān)于調(diào)節(jié)該電壓的控制回路稍后將會(huì)討論。

圖1  LLC諧振轉(zhuǎn)換器模塊示意圖和零電壓開(kāi)關(guān)波形

圖1顯示了第一級(jí)的輸出電壓和電流。諧振網(wǎng)絡(luò)造成的相移會(huì)在方波電壓和正弦電流之間造成延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，諧振電流會(huì)流經(jīng)Q2的體二極管。由于在Q2上的電壓幾乎為零，因此導(dǎo)通損耗極低。此外，還有一個(gè)好處是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)噪聲更小，故EMI也被降低，而EMI噪聲的主要分量在開(kāi)關(guān)基頻上。

要避免Q1 和 Q2同時(shí)導(dǎo)通的可能性，需要一定的死區(qū)時(shí)間。以Q1的關(guān)斷波形為例，流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流很大，接近峰值。在關(guān)斷期間的電壓變化為滿總線電壓，故關(guān)斷步驟不是無(wú)損的。

Q1的輸出電容的作用也必須重視，為了便于解釋，我們想象一下在Q1的漏源極之間增加一個(gè)非常大的外部電容，假設(shè)總線電壓為400V，漏／源電壓 (drain to source voltage) 為1V，柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10V。在關(guān)斷期間，電容會(huì)把漏-源電壓鉗位在1V。因?yàn)镃GD 電容只需要9V的充電電壓而非390V放電，故需要的電荷遠(yuǎn)少于正常關(guān)斷電荷的1/40 (這里考慮到了CGD隨電壓減小的額外有利影響)。因此，Q1會(huì)因其上的電壓低而迅速關(guān)斷。不過(guò)，要增加非常大的電容是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@會(huì)阻礙Q2的零電壓導(dǎo)通。

MOSFET輸出電容的影響，再加上有時(shí)候一個(gè)小的外部并聯(lián)電容的作用，是可以降低部分關(guān)斷的損耗，并有助于接近上面提到的理想狀態(tài)。然而，必須謹(jǐn)慎考慮Q2關(guān)斷和Q1導(dǎo)通的交互轉(zhuǎn)換。為了確保Q2的零電壓開(kāi)關(guān)，很重要的一點(diǎn)是Q1的電容需完全充電，而充電時(shí)間應(yīng)該不超過(guò)死區(qū)時(shí)間。在給于總線電壓VBUS下該電容的充電時(shí)間tSW，開(kāi)關(guān)時(shí)的電流ISW，以及有效漏／源電容CDSeff的關(guān)系如下：

VBUS由設(shè)計(jì)條件預(yù)先定義。如果CDSeff 為零，將出現(xiàn)Q1的硬開(kāi)關(guān)和Q2的零電壓開(kāi)關(guān)。如果CDSeff 太大，則出現(xiàn)Q2硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在輕載條件下，而 ISW 很小，那么隨著負(fù)載的減小，Q2最終也會(huì)出現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。CDSeff 的選擇主要取決于MOSFET的COSS，故是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)折衷。當(dāng)考慮到任何芯片尺寸較大 (因而COSS 較大)、RDS(ON) 較低的MOSFET系列器件時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的輸出電壓調(diào)節(jié)

對(duì)于采用零電壓開(kāi)關(guān)的諧振轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)必須確保電流波形始終滯后于電壓波形。這種情況在負(fù)載為電感型時(shí)發(fā)生，并且頻率高于諧振頻率。在增益特性方面，電壓增益隨頻率下降?？刂齐娐房赏ㄟ^(guò)改變輸入方波的頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，這會(huì)改變系統(tǒng)增益，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)過(guò)的輸出電壓。

最理想的情況是，增益特性與負(fù)載條件無(wú)關(guān)，而且增益和頻率范圍都應(yīng)該很易于調(diào)節(jié)?？上У氖?，這些特性都極難實(shí)現(xiàn)。以標(biāo)準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器為例，串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的負(fù)載范圍很窄，因?yàn)樵鲆嫣匦噪S負(fù)載變化很大；而并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍很窄，輕載下效率也很低。LLC轉(zhuǎn)換器則可以避免這些問(wèn)題。

標(biāo)準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中有兩個(gè)組件決定諧振頻率：電感 (L) 和電容 (C)。LLC轉(zhuǎn)換器是串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，有一個(gè)額外的電感  (L) 與其它兩個(gè)組件串聯(lián)，故名為L(zhǎng)-L-C轉(zhuǎn)換器。圖1所示的諧振電路即是一個(gè)LLC轉(zhuǎn)換器電路。在該電路中，Cr 為諧振電容。兩個(gè)電感值分別為集成式變壓器的勵(lì)磁電感(Lm) 和總漏電感 (Llkp 加 Llks)。在某些情況下，第二個(gè)電感值可以由一個(gè)外部獨(dú)立電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種通常用于更高的功率級(jí)。

相比其他諧振轉(zhuǎn)換器，LLC 轉(zhuǎn)換器在變化負(fù)載條件下具有良好的調(diào)節(jié)性能。它要求線路輸入電壓控制良好，故一般需要PFC 前端高性能工作。業(yè)界對(duì)它的了解遠(yuǎn)不及雙管正激拓?fù)?。它的頻率范圍比雙管正激拓?fù)鋵?，但比其它諧振轉(zhuǎn)換器要窄得多。

圖2顯示了一個(gè)LLC轉(zhuǎn)換器的增益特性。在增益與頻率的關(guān)系圖中，給出了不同負(fù)載條件下的增益曲線。LLC 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)諧振頻率。如箭頭所指，較低的諧振頻率在60kHz左右；較高的則為100kHz。所有曲線，不論負(fù)載如何，都相交于第二個(gè)諧振頻率處。

對(duì)于這種設(shè)計(jì)，諧振頻率下的增益為1.2。因此如果輸出電壓設(shè)定為12V、匝數(shù)比為40:1，那么這將出現(xiàn)在400V輸入電壓下。不論負(fù)載如何，忽略損耗情況，頻率將保持不變。

為了便于說(shuō)明，我們假設(shè)輸入電壓上升到480V，這時(shí)控制電路必需把增益降低到1.0，才能保持12V的輸出電壓。在這種情況下，頻率將在滿載下的115kHz和 20% 負(fù)載條件下的130kHz之間變化，從圖中可看出，正是對(duì)應(yīng)的負(fù)載條件下的增益曲線與增益＝1.0這條線相交處的頻率。

這顯示出當(dāng)偏離設(shè)計(jì)的輸入工作電壓時(shí)， 頻率便會(huì)發(fā)生一些變化，輕負(fù)載下開(kāi)關(guān)損耗就會(huì)增加?？偠灾?，LLC轉(zhuǎn)換器在恒定輸入電壓下工作性能最好，比如由 PFC 級(jí)提供電壓。通過(guò)設(shè)計(jì)，它們可適用于某個(gè)地區(qū)的電壓輸入范圍，比如195VAC – 265VAC。

圖2：LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線示例

對(duì)于更高的功率級(jí)，它通常都帶有功率因數(shù)校正 (PFC) 前端級(jí)。LLC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)使得幾乎在所有工作條件下PFC級(jí)都產(chǎn)生恒定輸出電壓，在此電壓下，頻率不隨負(fù)載改變而變化。對(duì)于缺失輸入半波的情況下，就需要一些額外的增益，這就是所謂的“保持” (hold-up) 時(shí)間要求。

采用FSFR2100的電路實(shí)例

圖3所示為采用FSFR2100實(shí)現(xiàn)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，輸入由PFC級(jí)提供。它采用26mm x 10.5mm x 3.2mm的超小型封裝，集成了600V高壓控制IC和2個(gè)600V MOSFET。這種諧振轉(zhuǎn)換器的效率相當(dāng)高，無(wú)需散熱器即可處理高達(dá)200W的功率，從而使設(shè)計(jì)更為緊湊。而標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浔匦枭崞鞑拍芴幚?00W電源。

圖3：采用FSFR2100的典型LLC諧振轉(zhuǎn)換器電路

組件Rdamp、Dboot 和 CHVcc構(gòu)成內(nèi)部驅(qū)動(dòng)高端MOSFET所需的自舉式 (bootstrap) 電路，可以利用一個(gè)電阻 (Rsense) 和濾波電路 (RLPF 與 CLPF) 來(lái)感測(cè)電流，以檢測(cè)正常和非正常過(guò)流情況。正常過(guò)流保護(hù)電路有1.5 us的延時(shí)，而非正常過(guò)流保護(hù)電路延時(shí)為50ns。非正常過(guò)流保護(hù)電路可迅速檢測(cè)出嚴(yán)重的故障，例如輸出二極管短路。過(guò)流保護(hù)容忍激活之前輸出端的暫時(shí)過(guò)載，時(shí)間由CON引腳上的定時(shí)電容CB (帶1.5us的固定延時(shí)，以消除噪聲) 決定。

CON引腳還可控制LLC控制器的開(kāi)和關(guān)。FSFR2100帶有突發(fā)模式，該模式會(huì)先有一連串的諧振活動(dòng)發(fā)生，然后就有一段無(wú)開(kāi)關(guān)期，這樣可以提高輕載條件下的效率。CON控制用于進(jìn)一步提升帶有輔助電源電路的待機(jī)性能。如果沒(méi)有輔助電源，器件便由一個(gè)輔助線圈供電。當(dāng)LVcc電壓過(guò)大時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路會(huì)關(guān)斷器件。在器件由輔助線圈供電的應(yīng)用中，它可用作輸出過(guò)壓保護(hù)電路。

圖中顯示的LLC諧振電路如前所述。在這個(gè)例子中，輸出整流模塊使用了D1 和 D2這2個(gè)輸出二極管，在變壓器的輸出端還有1個(gè)中間抽頭。

KA431周圍的電路是誤差放大器和光耦合電路，這些電路將反饋回初級(jí)端。如果輸出電壓增加，超過(guò)所希望的參考值，系統(tǒng)的增益必須減小。這可以通過(guò)增大RT引腳的電流，提高工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果光耦合晶體管導(dǎo)通，頻率就會(huì)增加，甚至一直達(dá)到由Rmax 決定 (與Rmin相互作用) 的最大頻率，這情況一般發(fā)生在輸出電壓超過(guò)參考值時(shí)。增益的減小最終導(dǎo)致輸出電壓降低到所需的參考級(jí)，因而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作。

軟啟動(dòng)能在啟動(dòng)期間保持著低增益。從增益曲線可看出，這是在高頻下發(fā)生的，故軟啟動(dòng)時(shí)需要高頻 (一般是諧振頻率的2到3倍)。Css 和 Rss，再加上Rmin ，決定了軟啟動(dòng)的性能 (此時(shí)Rmax忽略不計(jì))。當(dāng)Css充電時(shí)，Rss將吸取RT引腳的電流，開(kāi)關(guān)頻率增大。當(dāng)Css 完全充電時(shí)，沒(méi)有電流流經(jīng)Rss ，故電流由Rmin.決定。

FSFR2100可實(shí)現(xiàn)高達(dá)300kHz的工作頻率，支持軟啟動(dòng)等功能。正常工作頻率在100kHz范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] R. W. Erickson and D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second Edition, Springer, 2001, Chapter 19, ISBN 0-7923-7270-0

[2] Fairchild Semiconductor Application Note AN4151, “Half-bridge LLC Resonant Converter Design using FSFR-series Fairchild Power Switch (FPS™)”, www.fairchildsemi.com