半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)考慮及安森美半導(dǎo)體解決方案

    近年來，液晶電視(LCD TV)和等離子電視(PDP TV)市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)。這些市場(chǎng)及其它一些市場(chǎng)需要具有如下功能特色的開關(guān)電源(SMPS)：150 W至600 W的輸出功率范圍；采用有源或無源PFC(由所需功率決定)；寬度和空間有限，無散熱風(fēng)扇，通風(fēng)條件有限；面向競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)電子市場(chǎng)。

    這就要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾(EMI)信號(hào)，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價(jià)比高。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，但雙電感加單電容(LLC)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器在滿足這些應(yīng)用要求方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

    這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合中大尺寸液晶電視輸出負(fù)載范圍下工作。通常反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適用于功率不超過70 W、面板尺寸不超過21英寸的應(yīng)用，雙反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則適合功率介于120 W至180 W之間、26至32英寸的應(yīng)用，而半橋LLC則在120 W至300 W乃至更高功率范圍下都適用，適合于從中等(26至32英寸)、較大(37英寸)和大尺寸(大于40英寸)等更寬范圍的應(yīng)用。

    此外，在LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，元器件數(shù)量有限，諧振儲(chǔ)能(tank)元件能夠集成到單個(gè)變壓器中，因此只需要1個(gè)磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級(jí)開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)條件。而次級(jí)二極管可以采用零電流開關(guān)(ZCS)工作，沒有反向恢復(fù)損耗。總的來看，半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器是適用于中、高輸出電壓轉(zhuǎn)換器的高性價(jià)比、高能效和EMI性能優(yōu)異的解決方案。

    半橋LLC轉(zhuǎn)換器中諧振電容和諧振電感的配置

    LLC半橋轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造存在著單諧振電容(CS)和分體(split)諧振電容(CS1和CS2)等不同方案。如圖1所示。對(duì)于單諧振電容配置而言，它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓(600 至1,500 V)的諧振電容。不過，這種方案也存在尺寸小、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

               圖1：半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置：(a)單諧振電容；(b)分體諧振電容

    與單個(gè)諧振電容配置相比，分體諧振電容配置的輸入電流紋波和均方根值較小，諧振電容僅處理一半的均方根電流，且所用電容的電容量?jī)H為單諧振電容的一半。當(dāng)利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡(jiǎn)單、廉價(jià)的過載保護(hù)時(shí)，這種方案中，諧振電容可以采用450 V較低額定電壓工作。

    顧名思義，半橋LLC轉(zhuǎn)換器中包含2個(gè)電感(勵(lì)磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據(jù)諧振電感位置的不同，諧振回路(resonant tank)也包括兩種不同的配置，一種為分立解決方案，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。

    對(duì)于分立解決方案而言，諧振電感置于變壓器外面。這使得設(shè)計(jì)靈活性也就更高，令設(shè)計(jì)人員可以靈活設(shè)置的Ls和Lm的值；此外，EMI幅射也更低。不過，這種解決方案的缺點(diǎn)在于變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間的絕緣變得復(fù)雜和繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。

              圖2：諧振儲(chǔ)能元件的兩種不同配置：(a)分立解決方案；(b)集成解決方案

    在另一種集成的解決方案中，變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS)。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件，成本更低，而且會(huì)使得開關(guān)電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級(jí)和次級(jí)繞組之間可以方便地實(shí)現(xiàn)絕緣。不過，這種解決方案的靈活性相對(duì)較差(可用的LS電感范圍有限)，且其EMI幅射更強(qiáng)，而初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。

    半橋LLC轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)

    根據(jù)負(fù)載條件的不同，LLC轉(zhuǎn)換器的頻率會(huì)出現(xiàn)變化。對(duì)于分立諧振回路解決方案而言，可以定義兩個(gè)諧振頻率，分別是串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin。其中，

    LLC轉(zhuǎn)換器的工作頻率取決于功率需求。功率需求較低時(shí)，工作頻率相當(dāng)高，超出諧振點(diǎn)。相反，功率需求較高時(shí)，控制環(huán)路會(huì)降低開關(guān)頻率，使其中一個(gè)諧振頻率提供負(fù)載所需大小的電流。總的來看，LLC轉(zhuǎn)換器工作在5種不同的工作狀態(tài)，分別是：a) 在Fs和Fmin之間；b)直接諧振在Fs；c)高于Fs；d)在Fs和Fmin 之間-過載；e)低于Fmin。

    與分立儲(chǔ)能電路解決方案相比，集成儲(chǔ)能電路解決方案的行為特性不同，如漏電感LLK來自于變壓器耦合，且LLK僅在變壓器初級(jí)和次級(jí)之間存在能量轉(zhuǎn)換時(shí)參與諧振；此外，一旦次級(jí)二級(jí)管在零電流開關(guān)(ZCS)條件下關(guān)閉， LLK就沒有能量。對(duì)于半橋LLC而言，次級(jí)二極管始終處于關(guān)閉狀態(tài)。諧振電感Ls和勵(lì)磁電感Lm不會(huì)象分立諧振回路解決方案那樣一起參與諧振。

    集成儲(chǔ)能電路解決方案也能夠定義兩種諧振頻率：Fs和Fmin。其中，

    這種解決方案同樣存在5種工作狀態(tài)，分別是：a) 在Fs和Fmin之間；b)直接在諧振Fs；c)高于Fs；d)在Fs和Fmin 之間-過載；e)低于Fmin。

    半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性

    LLC轉(zhuǎn)換器可以通過一階基波近似來描述。但只是近似，精度有限。而在Fs頻率附近精度達(dá)到最高。

                                 圖3：LLC轉(zhuǎn)換器的近似等效電路。

    等效電路的傳遞函數(shù)為：

    這其中，Z1和Z2與頻率有關(guān)，由此可知LLC轉(zhuǎn)換器的行為特性類似于與頻率有關(guān)的分頻器，負(fù)載越高，勵(lì)磁電感Lm所受到的由交流電阻Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來，LLC儲(chǔ)能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化。在使用基波近似時(shí)，實(shí)際的負(fù)載電阻必須修改，因?yàn)閷?shí)際的諧振回路是由方波電壓驅(qū)動(dòng)的。

    相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為：，特性阻抗為：增益為：，Lm/Ls比為：

串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為：

               圖4：標(biāo)準(zhǔn)化增益特性(區(qū)域1和區(qū)域2為ZVS工作區(qū)域，區(qū)域3為ZCS工作區(qū)域)

    LLC轉(zhuǎn)換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側(cè)區(qū)域(其中的負(fù)斜率意味著初級(jí)MOSFET工作在零電壓開關(guān)ZVS模式下)。當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在fs=1(對(duì)于分立諧振回路解決方案而言)的狀態(tài)下時(shí)，它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講，這個(gè)工作點(diǎn)最具吸引力，因?yàn)檎�弦初�?jí)電流、MOSFET和次級(jí)二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點(diǎn)只能在特定的工作電壓和負(fù)載條件下達(dá)到(通常是在滿載和額定Vbulk電壓時(shí))。

    增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定：Lm/Ls比(即k)、諧振回路的特征阻抗、負(fù)載值和變壓器的匝數(shù)比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真軟件來進(jìn)行基波近似和AC仿真。

               圖5：分立(a)和集成(b)諧振回路解決方案的仿真原理圖。

    對(duì)于LLC諧振轉(zhuǎn)換器而言，滿載時(shí)品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls比k這兩個(gè)因數(shù)的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這方面的選擇將影響到如下轉(zhuǎn)換器特性：輸出電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍；線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍；諧振回路中循環(huán)能量的大小；轉(zhuǎn)換器的效率；要優(yōu)化滿載時(shí)的Q和k因數(shù)，效率、線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍通常是最重要的依據(jù)。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負(fù)載，它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數(shù)越高，就導(dǎo)致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負(fù)載時(shí)，特征阻抗就必須較低，因?yàn)榈蚎會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓能力下降，且Q值很低的情況下LLC增益特性會(huì)退化到SRC。

    而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵(lì)磁電感中存儲(chǔ)多少能量。k值越高，轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁電流和增益也就越低；且k因數(shù)越大，所需的穩(wěn)壓頻率范圍也就越大。

    在實(shí)踐中，Ls(如集成變壓器解決方案的漏電感)只能在有限的范圍內(nèi)取值，而且是由變壓器的構(gòu)造(針對(duì)所需的功率等級(jí))和匝數(shù)比決定。然后，Q因數(shù)的計(jì)算由所需的額定工作頻率fs確定。這之后，k因數(shù)也必須計(jì)算出來，以確保輸出電壓穩(wěn)壓(帶有線路和負(fù)載變化)所需的增益。而在設(shè)定k因數(shù)時(shí)，可以讓轉(zhuǎn)換器在輕載時(shí)無法維持穩(wěn)壓——可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。

    對(duì)于半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)而言，還涉及到其它的一些重要因素，如初級(jí)電流和諧振電容的參數(shù)確定、次級(jí)整流設(shè)計(jì)和輸出電容參數(shù)的確定、諧振電感的平衡性、變壓器繞組參數(shù)的確定和變壓器的制作等。這些進(jìn)一步的設(shè)計(jì)信息可以聯(lián)系安森美半導(dǎo)體獲得。

    安森美半導(dǎo)體的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案NCP1395/NCP1396

    作為全球領(lǐng)先的高能效電源半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款更新的器件，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器。它們均為為構(gòu)建可靠及穩(wěn)固的諧振模式開關(guān)電源提供了所有必需功能，具有極低的待機(jī)能耗。它們的關(guān)鍵特性包括：50 kHz至1.0 MHz的寬廣頻率范圍（NCP1395）、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間(dead time)、可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)、可調(diào)節(jié)的最小和最大頻率漂移、低啟動(dòng)電流、欠壓檢測(cè)、可調(diào)節(jié)的故障定時(shí)器間隔和跳周期可能性等。

    NCP1396的獨(dú)特架構(gòu)包括一個(gè)500 kHz的壓控振蕩器，由于在諧振電路結(jié)構(gòu)中避開諧振尖峰相當(dāng)重要，因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū)域， NCP1396內(nèi)置了可調(diào)節(jié)且精確的最低開關(guān)頻率，通過專有高電壓技術(shù)支持，這款控制器應(yīng)用在能夠接受高達(dá)600 V本體電壓半橋式應(yīng)用的自舉 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路上。此外，可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間可以幫助解決上方與下方晶體管相互傳導(dǎo)的問題，同時(shí)確保一次端開關(guān)在所有負(fù)載情 況下的零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)，并輕松實(shí)現(xiàn)跳周期模式來改善待機(jī)能耗以及空載時(shí)的工作效率。

    NCP1396/5具備多重保護(hù)功能，提供更好的電路保護(hù)，帶來更安全的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)而不增加電路的復(fù)雜度，NCP1396/5的各種強(qiáng)化保護(hù)功能包括有反饋環(huán)路失效偵測(cè)、快速與低速事件輸入，以及可以避免在低輸入電壓下工作的電源電壓過低偵測(cè)等。

    面向各種多樣化的電源應(yīng)用設(shè)計(jì)，NCP1396提供有兩種型號(hào)選擇：A和B。兩種型號(hào)的不同表現(xiàn)在：

    1)啟動(dòng)閥值不同，NCP1396A和NCP1396B分別是VCC=13.3 V和VCC=10.5 V(相應(yīng)地NCP1395A和NCP1395B分別為VCC=12.8 V和VCC=10 V)；

    2)在釋出快速故障輸入時(shí)NCP1396A/NCP1395A不會(huì)激活軟啟動(dòng)功能，而NCP1396B/NCP1395B則會(huì)在快速故障輸入釋出時(shí)通過軟啟動(dòng)序列恢復(fù)工作。

    從設(shè)計(jì)上來看，NCP1396A/NCP1395A推薦用于大功率消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計(jì)，在這些設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員能夠使用外部啟動(dòng)電阻，而NCP1396B/NCP1395B更適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用，這些應(yīng)用中的12 V輔助電源能夠直接為芯片供電。

               圖6：采用NCP1396A的安森美半導(dǎo)體GreenPointTM 220瓦液晶電視電源參考設(shè)計(jì)。

    總結(jié)

    輸出功率在150 W至600 W之間的液晶電視和等離子電視等應(yīng)用要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾(EMI)信號(hào)，而且解決方案元器件數(shù)量少、性價(jià)比高。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，但雙電感加單電容(LLC)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器在滿足這些應(yīng)用要求方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文主要分析了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的一些重要的設(shè)計(jì)考慮，如諧振電容和諧振電感的配置、工作狀態(tài)、建模和增益特性等。此外，還包括其它一些考慮因素，如初級(jí)電流和諧振電容的參數(shù)確定、次級(jí)整流設(shè)計(jì)和輸出電容參數(shù)的確定、諧振電感的平衡性、變壓器繞組參數(shù)的確定和變壓器的制作等。本文最后還簡(jiǎn)要介紹了安森美半導(dǎo)體的兩款高能效半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案NCP1395和NCP1396的主要特性及其應(yīng)用設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)，方便客戶的應(yīng)用設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。