LLC谐振转换器可提升DC-DC效率

近年来，日益增长的电源需求已直接使得用数字控制实现AC-DC和DC-DC电源转换成为最新趋势。数字控制具备了设计灵活性、高性能和高可靠性。为了实现更高效的电源，人们正在考虑使用不同的拓扑结构实现DC-DC转换。本文将讨论电感、电感、电容(LLC)谐振转换器的数字控制、谐振转换器的优势以及数字控制的整体优势。
 

数字控制解决对电源的需求

由于许多电源在大部分时间内工作负载远低于最大负载或是工作效率最高时的负载，在正常模式和低功耗模式下，经常要求提高效率。例如，80 PLUS计划要求115V电源在20%、50%和100%的额定负载下至少达到80%的效率。在这些工作点实现更高效率可获得铜级、银级、黄金级或白金级的评级。对于230V电源，最低的铜级标准要求效率在20%负载下达到81%，在50%负载下达到85%以及在100%负载下达到81%。

美国能源部已通过ENERGY STAR数据中心能效计划将其对更高效产品的迫切要求扩展到数据中心。该计划旨在解决信息技术(IT)设备以及不间断电源(UPS)中起支持作用的基础架构等设施的所有高能耗方面的需求。

许多采购规范要求所购产品必须符合这些标准或通过其他公认的节能标准认证，这就强制供应商必须达到这些级别的要求，否则就会失去市场。因此，实现更高的效率迫在眉睫。单单降低运营成本这一点就足以推动能效的改进。中、大功率范围(200到1000W)的应用(例如电信)正越来越多地实现更低功耗的电源，以控制供电和冷却设备的运营成本。

为了实现最高效率，许多设计人员正在转向数字控制，这也提供了设计灵活性、高性能和高可靠性。利用低引脚数的数字信号控制器(DSC)(例如，Microchip Technology公司的dsPIC DSC)，通过这些器件的数字信号处理(DSP)功能和智能电源外设便可实现复杂控制。在增加数字控制之前，需要了解谐振转换器的基本原理。

谐振转换器的优势

工作在谐振模式(电路的输入与输出之间的阻抗最小)下的转换器可提供更高的效率。利用谐振转换器，为MOSFET提供正弦电压或正弦电流并在接近于正弦电压或电流的过零点处开关，可大幅降低MOSFET的功耗。

在漏源电压接近零时开关MOSFET(即零电压开关，ZVS)，以及在通过开关的电流为零时将MOSFET状态从一个转换到另一个(即零电流开关，ZCS)，可以最大程度地减小MOSFET开关损耗。这种软开关方法还降低了系统中的噪声，并提供增强的抗电磁干扰(EMI)性能。ZVS是高压、高功耗系统的首选。

在谐振开关转换器中，在开关周围增加电抗元件(电容和电感)以生成正弦电压或电流。谐振转换器的三个主要类别为：串联谐振转换器(SRC)、并联谐振转换器(PRC)及两者的组合——串并联谐振转换器(SPRC)。图1给出了高级谐振转换器的结构框图以及三种类型的谐振回路。

图1：高级谐振转换器结构具有多种不同形式的谐振回路。

顾名思义，在串联谐振转换器中，负载与谐振的电感和电容串联。谐振回路的增益≤1。当SRC空载工作时，无法对其输出电压进行调节。对于ZVS，在感性区域中，电路的工作频率需要高于谐振频率。线电压较低时，SRC的工作频率接近于谐振频率。

在PRC中，负载与谐振电容并联。PRC可在空载输出下工作，与SRC不同的是，可以在空载时对其输出电压进行调节。对于ZVS，在感性区域中，PRC的工作频率也需要高于谐振频率。与SRC相似，在线电压较低时，PRC的工作频率接近于谐振频率，但是，PRC的不同之处在于其具有较大环流。串联电感和并联电容提供了固有的短路保护。

在SPRC中，谐振电路是串联和并联转换器的组合，可以是LCC或LLC配置。与SRC和PRC相似，SPRC LCC设计无法在高输入电压下进行优化。因此，许多应用的首选方案是LLC。LLC谐振回路如图1所示。

LLC转换器可以在标称输入电压下以谐振频率工作，并且能够在空载下工作。此外，它还可以设计为在宽输入电压范围内工作。零电压和零电流开关在整个工作范围内均可实现。

谐振转换器的性能可以通过几个参数进行衡量。谐振电路的品质因数(Q)是一个无量纲参数，用于描述电路的阻尼量。它定义为电路中存储功率与耗散功率的比值。Q值越高表示谐振回路的带宽越窄。

品质是谐振电路增益的一个关键参数，也称为电压转换比或M。通过考虑在λ、归一化频率或Q值变化时生成的一系列M曲线，可以在计算所有参数之前获得谐振转换器性能的指标。M的定义如下：

M(fsw)=f(fn,λ,Q)

其中，fn=归一化频率，f/fr；λ=电感比，Lr/Lm；Q=品质因数，输出阻抗的函数。

如图2所示，将Q作为参数的LLC电路实际上具有两个谐振频率，一个由串联电感Lr和电容Cr决定(Q为0.5)，另一个由并联电感Lm决定。Lr和Cr在fn=1(fr)时具有谐振频率，Lm+Lr和Cr在fn约等于0.5时具有谐振频率。

图2：根据品质因数(Q)，可以从谐振回路获得不同的增益。Y轴为谐振回路增益(M)。所有Q曲线在谐振频率(fn=1)处相交。

LLC的不同工作模式包括：在谐振频率处、低于谐振频率和高于谐振频率。在谐振频率处工作时，MOSFET在非常窄的时序窗口(由所选元件决定)内以谐振频率进行开关。此时产生的损耗非常低。

低于谐振频率工作时，电路特性与在谐振频率工作时相似，但是回路电流在周期的一段时间内受到磁化电流限制。如果在次级侧用MOSFET代替二极管进行同步整流，则必须在适当的时间关断栅极。这通常需要电流检测技术，例如测量MOSFET两端的压降。

高于谐振频率工作时，回路电流大于磁化电流，不再受磁化电流限制。在该区域中，同步开关可以和初级侧开关同时导通和关断，从而简化它们的控制。

由于使用了零电压开关，LLC谐振电源的一个固有优势是电磁干扰和无线电干扰很低。

高效的数字控制拓扑结构

利用目前的数字信号控制器，可以轻松实现电源转换的全数字控制和LLC谐振转换器的系统管理功能。

实际的LLC电路器件和各部分，除图1所示外还包括直流输入、开关网络、LLC谐振回路、变压器、整流器、滤波器和负载。图3给出了LLC谐振转换器中增加的数字控制。该设计代表了可为电信电路指定的设计。在这些应用中，LLC转换器被广泛地用作AC-DC系统中 功率因数校正(PFC)电路后面的DC/DC转换器。典型的PFC输出电压大约为400V，可以直接馈入LLC转换器。宽输入范围允许使用体积较小的大容值电容。表1中概述了设计规范。

图3：参考设计高级框图说明了如何将数字控制的反馈环添加到LLC谐振转换器中。

表1：参考设计规范可满足许多电信电源的需求。

dsPIC33FJ GS为谐振转换器提供了数字计算功能。其40MIPS的性能和智能电源外设使其成为这一应用的理想选择。外设包括高速PWM(16位，周期分辨率为1ns)和可相移的输出等。

参考设计中的开关电路使用半桥拓扑，因此，半桥电压在0V与Vd=400Vdc标称值之间摆动。谐振回路由电容、电感和隔离变压器的磁化电感组成。由于设计使用变压器的磁化电感，因而无需使用外部电感，降低了系统成本。该设计也可将变压器的漏电感用作次级电感，无需另外添加外部电感，从而节省更多成本。

如果将谐振回路正确调整到开关频率，谐振回路将对基波频率呈现有限阻抗，而对所有其他谐波频率呈现非常高的阻抗。回路的阻抗会使电压与电流之间发生相移，从而允许进行零电压开关。初级MOSFET的零电压开关如图4所示。

图4：在该参考设计中，由于谐振回路电流与MOSFET电压存在相移，半桥MOSFET开关没有任何导通损耗。

设计次级侧时采用同步整流器代替二极管，以降低次级侧的导通损耗。这可以减小正向电阻(Rf)和二极管正向电压产生的损耗。图5给出了同步整流器的开关波形。

图5：为消除次级侧(同步)整流器的关断损耗，在MOSFET电流达到零后增大MOSFET的漏源电压。图注与图4相同，即绿线=MOSFET栅源电压，紫线=MOSFET漏源电压，黄线=MOSFET电流

对于同步整流，数字控制执行MOSFET开关无需在次级侧采用电流检测电路。这使得全波整流器设计的效率提高并且成本降低。图6给出了负载电流范围内的效率。额外的好处包括提高了补偿器设计的灵活性，因为DSC还实现了占空比控制的软启动。

图6：LLC在两个不同工作电压输入下的效率显示了其对输入电压的不敏感性。输出负载电流低于2A时，实现了超过80%的效率。负载更高时，最大效率为95%，而且输出负载电流从7到17A时效率曲线极其平坦。

由于可以通过易于重复编程的软件实现电源转换控制，数字解决方案使设计人员可以自由地创新并轻松修改或调整他们的设计。除了能够增加经济高效、创造价值的新功能，精确的数字控制还可以提高电源的可靠性。使用参考设计可以缩短开发时间和上市时间并缓解从设计之初就可能出现的制造问题。

本文小结

LLC谐振转换器的性能优势使得该设计方法成为了中、大功率电信应用提高能效的理想选择。同时，增加数字控制也为电子系统提供了设计人员期待的设计灵活性、高性能和高可靠性。为了轻松实现上述两点，参考设计提供最简单的方法来评估系统和缩短上市时间，或者更恰当地说，缩短达到更高效率的时间。