引言
最近，帶LED(發(fā)光二極管)背光單元的 LCD(液晶顯示)電視(下稱(chēng)LED TV)的市場(chǎng)開(kāi)始大幅增長(cháng)，眾多制造商紛紛致力于研發(fā)更纖薄高效的解決方案。各廠(chǎng)商相繼推出多種類(lèi)型的LED TV主功率級拓撲，比如非對稱(chēng)半橋轉換器、雙開(kāi)關(guān)正激轉換器和LLC諧振轉換器。其中，LLC諧振轉換器雖然相比其它轉換器具有更多優(yōu)勢，但因為其設計復雜困難，所以在過(guò)去很少受到關(guān)注。不過(guò)，這幾年間，IC制造商已開(kāi)發(fā)出用于 LLC 諧振轉換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說(shuō)明和設計工具，讓其設計變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注�，F在，LLC諧振轉換器已經(jīng)成為 LED TV最流行的主功率級拓撲。
LLC諧振轉換器的出色優(yōu)點(diǎn)有：a) 在整個(gè)負載范圍(包括輕載)下都是以ZVS (zero voltage switching, 零電壓開(kāi)關(guān))條件工作，從而實(shí)現高效率;b) 工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設計;c)初級端所用開(kāi)關(guān)的電壓應力被鉗位在輸入電壓上，而次級端兩個(gè)二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。
LLC諧振轉換器可以工作在兩個(gè)不同類(lèi)型的ZVS區域之內。一個(gè)被稱(chēng)為‘上區域(above region)’(或上諧振工作區域)，這里，初級端的環(huán)流變小，但次級端上的二極管為硬開(kāi)關(guān)。另一個(gè)是‘下區域’(或下諧振工作區域)，這時(shí)次級端上的二極管可實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。本文將簡(jiǎn)單介紹LLC諧振轉換器的工作原理和工作區域，此外還將討論其設計步驟。
LLC諧振轉換器的工作原理
圖1所示為L(cháng)LC諧振轉換器的基本電路。LLC諧振轉換器一般包含一個(gè)帶MOSFET的控制器、一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)整流器網(wǎng)絡(luò )�？刂破饕�50%的占空比交替為兩個(gè)MOSFET提供門(mén)信號，隨負載變化而改變工作頻率，調節輸出電壓Vout，這稱(chēng)為脈沖頻率調制(PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò )包括兩個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容(L-L-C)。諧振電感 Lr、Lm 與諧振電容Cr 主要作為一個(gè)分壓器，其阻抗隨工作頻率而變化(如式1所示)，以獲得所需的輸出電壓。在實(shí)際設計中，諧振網(wǎng)絡(luò )可由一個(gè)采用如圖2所示分段骨架(sectional bobbin)的集成式變壓器的磁化電感Lm 與漏感Llk 構成。而整流器網(wǎng)絡(luò )對諧振網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生的正弦波形進(jìn)行整流，然后傳輸到輸出級。
式1
式2給出了采用如圖2所示的實(shí)際變壓器時(shí)，LLC諧振轉換器的電壓轉換比。在式2中可觀(guān)察到兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)由Lp 和 Cr 決定，記為ωp，另一個(gè)由Lr 和 Cr決定，記為ωr。利用這個(gè)公式，可獲得LLC諧振轉換器隨頻率和負載變化的增益特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3所示
如圖3所示，每條曲線(xiàn)上以符號‘+’標注的最高值被稱(chēng)為‘峰值增益’，位于兩個(gè)諧振頻率ωp 和 ωr 之間。當輸出負載越來(lái)越大時(shí)，峰值增益值逐漸減小，其位置向更高頻率移動(dòng)。同時(shí)，以符號‘×’標注的ωr時(shí)的諧振增益卻是固定的，不隨輸出負載的變化而變化。增益曲線(xiàn)說(shuō)明在 ZVS狀態(tài)下，隨著(zhù)諧振網(wǎng)絡(luò )的工作頻率增加，增益減小，輸出電壓降低。
LLC諧振轉換器的工作區域
如圖3所示，LLC諧振轉換器的工作區域可標注為‘+’的峰值增益和標注為‘×’的諧振頻率而分為3部分。首先，以峰值點(diǎn)為界，左邊是ZCS(零電流開(kāi)關(guān))區(或稱(chēng)為電容區)，右邊是ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))區(或稱(chēng)為電感區)。在ZVS區，諧振頻率ωr的左邊是下區(below region)，右邊是上區域(above region)。當LLC諧振轉換器工作在ZCS區時(shí)，在開(kāi)關(guān)瞬間有大量反向恢復電流流經(jīng)MOSFET，故LLC諧振轉換器應該工作在ZVS區，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET 的LLC諧振轉換器進(jìn)入ZCS區。
如上所述，根據工作頻率是大于ωr還是小于ω，LLC諧振轉換器可以工作在上區域或下區域。這還取決于兩種工作模式彼此間的不同特性。當LLC諧振轉換器被設計為上區域工作時(shí)，流到MOSFET的環(huán)流小于下諧振工作的，MOSFET的傳導損耗因此減小，從而提高效率。不過(guò)，這時(shí)次級端上的二極管為硬開(kāi)關(guān)，故必須采用肖特基或UF(超快速恢復)二極管來(lái)防止嚴重的反向恢復電流。鑒于此，象便攜式設備LCD的電源這樣的低壓應用有時(shí)會(huì )考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到MOSFET的環(huán)流比上諧振工作的要大。不過(guò)下諧振工作允許次級端上的二極管進(jìn)行軟導通/關(guān)斷，這樣就可以采用普通的快速恢復二極管。下諧振工作是LED或PDP TV等高壓應用的首選。這些應用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。
因此，必須根據應用的規格和特性來(lái)選擇LLC諧振轉換器的工作區域。下一節將討論LLC諧振轉換器工作區域的選擇步驟。
下諧振工作的設計步驟
圖4所示為一個(gè) LLC 諧振轉換器在100%和10%負載條件下的頻域增益曲線(xiàn)。圖中，fop@10%load 和 fop@100%load 為L(cháng)LC 諧振轉換器的工作頻率，分別在100% 和 10%負載條件下調節最大輸入電壓Vin,max對應的額定輸出電壓。Mfr 代表諧振頻率 fr 下的增益，是固定的，不隨負載變化。如上所述，諧振頻率是把ZVS區域劃分為上/下諧振工作的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，當把Vin,max 條件下所需增益設定至大于Mfr, 則即使輸入電壓和輸出負載都減小，所需增益也必然不會(huì )小于Mfr 。這意味著(zhù)LLC 諧振轉換器的工作頻率小于對應 Mfr 的 fr，故它總是工作在下區域。下面介紹一個(gè)LED TV 電源的設計步驟。其輸入電壓由PFC (功率因數校正)提供，最小、額定和最大輸入電壓分別為350、380 和 400 Vdc。輸出規格為120 V / 1.5 A。另外，集成式變壓器使用分段骨架，控制器采用的是帶有兩個(gè)MOSFET的FSFR系列器件，這是飛兆半導體專(zhuān)為諧振半橋型轉換器而設計的產(chǎn)品。
步驟1. 選擇m 和 fr ，并計算Mfr
利用式2，諧振頻率fr 下的諧振增益Mfr 可由下式求得：
式3
上式中，m 和 fr 都由設計人員選擇。若選擇的m值很小，峰值增益增加，且需要較大的Lr。若m值過(guò)小，需要外部電感，因為這時(shí)要在集成式變壓器中獲得高值 Lr 實(shí)際上是相當困難的。另一方面，如果選擇較大的m值，則峰值增益降低。由于Lr 比 Lp低，使用集成式變壓器十分容易。一般而言，m值在4-7之間是比較合理的。
[設計實(shí)例]
當 m 和 fr 分別設置為 6 和 100 kHz時(shí)，求得諧振頻率下的諧振增益為1.09。
步驟2. 確定最大增益
利用下列公式可求出所需最小和最大增益：
式4
這里，Mmin 和 Mmax 分別為最小和最大增益。Vvirtual 是對應于諧振頻率的有效輸入電壓。
如前所述，如果諧振電壓下的Vvirtual 被設定為大于最大輸入電壓Vin,max，則工作頻率將總是低于諧振頻率，于是設計出的LLC諧振轉換器就會(huì )工作在下諧振工作區域。
[設計實(shí)例]
假定Virtual 設為420 Vdc并考慮到余裕，Mmin 和 Mmax 可采用式4計算：
考慮到因負載瞬態(tài)和輸入電壓變化，峰值增益應具有一定余裕，增加10%的余裕是比較恰當的，故合理的Mmax 為 1.45。
步驟3. 確定集成式變壓器的匝數比
利用步驟2中求得的有效輸入電壓Vvirtual 和合理的諧振增益Mfr ，集成式變壓器的匝數比可由下式求得：
這里，Vout 和 VF分別是次級端二極管的額定輸出電壓和正向電壓降。
如果需要調節匝數比n，可回到步驟2，增加或減小有效輸入電壓Vvirtual即可。
[設計實(shí)例]
在步驟2中，Vvirtual 已被設為420 Vdc。VF 取1Vdc，集成式變壓器的匝數比算得為：
步驟4. 確定諧振網(wǎng)絡(luò )
利用圖5所示的這種查找表，能夠根據峰值增益和不同的m值找出正確的Q因子。利用m值和前面步驟中獲得的所需最大增益，可在圖5中選出正確的Q因子。一旦確定了正確的Q因子，諧振網(wǎng)絡(luò )的參數就可利用下面的公式求出
這里，Cr 和Lr 分別為諧振電容和電感，Lp 為集成式變壓器的初級端電感。Rac 等于，其中考慮到了次級端二極管的正向電壓降。
這里，Cr 和Lr 分別為諧振電容和電感，Lp 為集成式變壓器的初級端電感。Rac 等于，其中考慮到了次級端二極管的正向電壓降。
[設計實(shí)例]
在前面的步驟中，m值選為6，考慮到了余裕的所需最大增益 Mmax 求得為1.45。通過(guò)圖5找出的Mmax對應的正確Q因子為0.35。
當諧振頻率為100 kHz時(shí)，諧振電容Cr 的值可由下式求出：
考慮到出廠(chǎng)電容的標準值，一個(gè)22nF的電容就足夠了。Lr 和 Lp 諧振電感的值可由下式求出：
后續的設計步驟和更多的技術(shù)信息
本文簡(jiǎn)單介紹了下諧振工作及其LLC諧振參數的設計步驟。不過(guò)，尚未提及選擇諧振參數之后的若干設計步驟，比如集成式變壓器的設計，開(kāi)關(guān)的額定電壓和電流、二極管和諧振電容的選擇，以及控制器和反饋電路的設計。
圖1：LLC諧振轉換器的基本電路
圖2：采用分段骨架的集成式變壓器(a)，變壓器等效電路(b)。
圖3：LLC諧振轉換器的增益曲線(xiàn)和工作區域
圖4：LLC諧振轉換器的頻域增益曲線(xiàn)
圖5：根據峰值增益和不同m值找出正確的Q因子的查找表。 |
