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LLC 谐振转换器原理及设计步骤 时间：2012-01-20 18:21:58 来源：今日电子 作者：飞兆半导体公司 Jintae Kim 多种类型的LED TV 主功率级拓扑相继推出，比如非对称半桥转换器、双开关正激转换器和LLC 谐振转换器。其中，LLC 谐振转换器虽然相比其他转换器具有更多优势，但因为其设计复杂困难，所 以在过去很少受到关注。不过，这几年间，IC 制造商已开发出用于LLC 谐振转换器的控制器，而且 发表了许多相关技术说明和设计工具，让其设计变得更容易，并使得这种技术获得更多的关注。现在， LLC 谐振转换器已经成为LED TV 最流行的主功率级拓扑。 LLC 谐振转换器的出色优点有：（1 ）在整个负载范围(包括轻载)下都是以 ZVS(zero voltage switching ，零电压开关)条件工作，从而实现高效率；（2 ）工作频率变化范围比较窄，便于高频变压 器和输入滤波器的设计；（3 ）初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电压上，而次级端两个二极管 上的电压始终等于中心抽头变压器输出电压的两倍。 LLC 谐振转换器可以工作在两个不同类型的 ZVS 区域之内。一个被称为“ 上区域(above region)”(或上谐振工作区域) ，这里，初级端的环流变小，但次级端上的二极管为硬开关。另一个是“下 区域”(或下谐振工作区域) ，这时，次级端上的二极管可实现软开关。本文将简单介绍 LLC 谐振转换 器的工作原理和工作区域，此外还将讨论其设计步骤。 图1 LLC 谐振转换器的基本电路 LLC 谐振转换器的工作原理 图1 所示为LLC 谐振转换器的基本电路。LLC 谐振转换器一般包含一个带MOSFET 的控制器、一个 谐振网络和一个整流器网络。控制器以50% 的占空比交替为两个MOSFET 提供门信号，随负载变化 而改变工作频率，调节输出电压 Vout ，这称为脉冲频率调制(PFM) 。谐振网络包括两个谐振电感和 一个谐振电容。谐振电感Lr、Lm 与谐振电容Cr 主要作为一个分压器，其阻抗随工作频率而变化(见 式1)，以获得所需的输出电压。在实际设计中，谐振网络可由一个采用如图2 所示的分段骨架(sectional bobbin) 的集成式变压器的磁化电感Lm 与漏感Llk 构成。而整流器网络对谐振网络产生的正弦波形 进行整流，然后传输到输出级。 (1) 式中，Vd 基本近似等于Vin/2 ，而Rac 基本近似等于8n2Vout/2πIout 。 式 （2 ）给出了采用如图 2 所示的实际变压器时，LLC 谐振转换器的电压转换比。在式 （2 ）中可观 察到两个谐振频率。一个由Lp 和Cr 决定，记为ωp，另一个由Lr 和Cr 决定，记为ωr 。利用这个公 式，可获得LLC 谐振转换器随频率和负载变化的增益特性曲线，如图3 所示。 图2 采用分段骨架的集成式变压器(a)，变压器等效电路(b) 图3 LLC 谐振转换器的增益曲线和工作区域 图3 中，每条曲线上以符号‘ ＋’标注的最高值被称为‘峰值增益’，位于两个谐振频率ωp 和ωr 之 间。当输出负载越来越大时，峰值增益值逐渐减小，其位置向更高频率移动。同时，以符号‘×’标注的 ωr 时的谐振增益却是固定的，不随输出负载的变化而变化。增益曲线说明在ZVS 状态下，随着谐振 网络的工作频率增加，增益减小，输出电压降低。 (2) 式 中 LLC 谐振转换器的工作区域 如图3 所示，LLC 谐振转换器的工作区域可标注为“ ＋”的峰值增益和标注为“×”的谐振频率而分为三 部分。首先，以峰值点为界，左边是 ZCS(零电流开关)区(或称为电容区) ，右边是 ZVS(零电压开关) 区(或称为电感区) 。在 ZVS 区，谐振频率 ωr 的左边是下区(below region)，右边是上区域(above region) 。当LLC 谐振转换器工作在ZCS 区时，在开关瞬间有大量反向恢复电流流经 MOSFET ，故 LLC 谐振转换器应该工作在ZVS 区，要充分利用最小工作频率的限制不让带MOSFET 的LLC 谐振