半桥LLC谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案

1、半桥有限责任公司谐振变换器和安塞尔米半导体解决方案的设计考虑2008-4-15 15:08:55电力在线网络近年来，液晶电视和等离子电视市场发展迅速。这些市场和其他市场需要具有以下特征的开关电源(SMPS):输出功率范围从150瓦到600瓦；采用有源或无源功率因数校正(由所需功率决定)；宽度和空间有限，没有冷却风扇，通风条件有限；面对激烈竞争的消费电子市场。这就要求开关电源具有高功率密度和平滑的电磁干扰信号，并且该解决方案元件少，性价比高。虽然开关电源可以采用多种拓扑结构，但双电感单电容串联谐振变换器在满足这些应用需求方面具有独特的优势。这种拓扑结构适合大中型液晶电视在输出负载范围内工作。通常

2、，反激式拓扑最适合功率小于70瓦、面板尺寸小于21英寸的应用，而反激式拓扑适合功率在120瓦至180瓦和26至32英寸之间的应用，而半桥LLC适合中型(26至32英寸)、大型(37英寸)和大型(40以上)的应用此外，在LLC串联谐振变换器拓扑中，元件的数量是有限的，并且谐振回路元件可以集成到单个变压器中，因此只需要一个磁性元件。在所有正常负载条件下，主开关可以在零电压开关(ZVS)条件下工作。然而，次级二极管可以在零电流开关(ZCS)下工作，而没有反向恢复损耗。一般来说，半桥LLC串联谐振变换器是一种性价比高、能效高、电磁干扰性能优异的解决方案，适用于中高输出电压的变换器。半桥有限责任公司变换

3、器中谐振电容和谐振电感的配置LLC半桥变换器的结构有不同的方案，如单谐振电容(CS)和分裂谐振电容(CS1和CS2)。如图1所示。对于单谐振电容配置，其输入电流纹波和均方根值较高，流经谐振电容的均方根电流较大。该方案需要一个耐高压(600至1500伏)的谐振电容器。然而，该方案也具有体积小和布线简单的优点。图1:半桥有限责任公司转换器的两种不同配置：(1)单谐振电容器；分裂谐振电容器与单谐振电容相比，分裂谐振电容具有较小的输入电流纹波和均方根值，谐振电容只处理一半的均方根电流，所用电容仅为单谐振电容的一半。当箝位二极管(D3和D4)用于简单和廉价的过载保护时，在该方案中，谐振电容器可以在450

4、伏的较低额定电压下工作顾名思义，半桥LLC转换器包含两个电感(激励电感Lm和串联谐振电感Ls)。根据谐振电感的位置，谐振回路还包括两种不同的配置，一种是分立解决方案，另一种是集成解决方案。这两种方案各有利弊，采用这两种方案的有限责任公司的工作模式略有不同。对于分立解决方案，谐振电感放置在变压器外部。这使得设计更加灵活，这样设计人员可以灵活设置Ls和Lm的值；此外，电磁辐射也较低。然而，这种解决方案的缺点是变压器的初级和次级绕组之间的绝缘变得复杂，绕组的冷却条件变得更差，并且需要组装更多的部件。图2:谐振储能元件的两种不同配置：(a)离散解决方案；综合解决方案在另一个集成解决方案中，变压器的漏电

5、感被用作谐振电感(LLK=最小二乘法)。这种解决方案只需要一个磁性元件，成本较低，并且使得开关电源的尺寸较小。此外，变压器绕组的冷却条件更好，一次绕组和二次绕组之间的绝缘更容易实现。然而，这种解决方案的灵活性相对较差(可用的最小二乘电感范围有限)，其电磁干扰辐射更强，并且初级绕组和次级绕组之间有很强的邻近效应。世界根据不同的负载条件，有限责任公司转换器的频率会发生变化。对于离散谐振回路解决方案，可以定义两个谐振频率，即串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin。其中，有限责任公司转换器的工作频率取决于电力需求。当功率需求较低时，工作频率相当高并超过谐振点。相反，当功率需求高时，控制回路将降低开关频

6、率，从而谐振频率之一可以提供负载所需的电流。一般来说，有限责任公司转换器工作在五种不同的工作状态，即：a)在Fs和Fmin之间；b)fs处的直接共振；c)高于fs；d)Fs和Fmin之间-过载。e)低于Fmin。与分立储能电路方案相比，集成储能电路方案具有不同的行为特征，如漏感LLK来自变压器耦合，LLK只在变压器一次和二次之间有能量转换时参与谐振；此外，在零电流开关(ZCS)条件下，一旦次级二极管关断，LLK就没有能量了。对于半桥LLC，次级二极管总是关断的。谐振电感Ls和激励电感Lm不会像离散谐振回路解决方案那样一起参与谐振。集成储能解决方案还可以定义两个谐振频率：Fs和Fmin。其中，该

7、解决方案还具有五种工作状态，它们是：a)在Fs和Fmin之间；b)直接在共振频率fs；c)高于fs；d)Fs和Fmin之间-过载。e)低于Fmin。半桥有限责任公司变换器的建模和增益特性有限责任公司转换器可以描述为一阶基波近似。但它只是近似的，其精度是有限的。在Fs频率附近精度达到最高。图3:3:LLC转换器的近似等效电路。等效电路的传递函数为：其中，Z1和Z2与频率有关，因此可以看出LLC转换器的行为类似于分频器。负载越高，交流电阻Rac引起的励磁电感Lm的箝位效应越大。这样，LLC储能电路的谐振频率在Fs和Fmin之间变化。当使用基波近似时，必须修改实际负载电阻，因为实际谐振回路由方波电压

8、驱动。因此，转换器的品质因数为：特征阻抗为：增益为：Lm/Ls比率为：串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin为：图4:标准化增益特性(1区和2区是ZVS工作区，3区是零电流开关工作区)有限责任公司转换器所需的工作区域是增益曲线的右侧区域(其中负斜率意味着初级金属氧化物半导体场效应晶体管在零电压开关的ZVS模式下工作)。当LLC转换器工作在fs=1(对于离散谐振回路解决方案)时，其增益由变压器的匝数比给出。就效率和电磁干扰而言，此工作点最具吸引力，因为正弦初级电流、金属氧化物半导体场效应晶体管和次级二极管均经过优化。工作点只能在特定的工作电压和负载条件下实现(通常在满载和额定Vbulk电压下)。

9、增益特性曲线的波形和所需的工作频率范围由以下参数决定：Lm/Ls比(即k)、谐振电路的特性阻抗、负载值和变压器匝数比。您可以使用任何模拟软件，如PSpice和Icap4进行基波近似和交流模拟。图5:分立(a)和集成(b)谐振回路解决方案的模拟示意图。对于有限责任公司谐振变换器来说，全负载下品质因数和Lm/Ls比的合理选择是其设计的关键。该选择将影响以下转换器特性：(1)输出电压稳定所需的工作频率范围；线路和负荷稳压范围；谐振电路中循环能量的大小；转换器的效率；为了在满负荷下优化品质因数和功率因数，效率、线路和负荷电压稳定范围通常是最重要的基础。品质因数q直接取决于负载，负载由满载条件下的谐振电

10、感Ls和谐振电容CS决定。品质因数越高，工作频率范围的Fop越大。当Q值较高且负载给定时，特性阻抗必须较低，因为低Q值将导致电压稳定能力降低，当Q值很低时，有限责任公司增益特性将退化为有限责任公司。根据k=Lm/Ls，它决定了激励电感中存储了多少能量。k值越高，转换器的激励电流和增益越低。k因子越大，所需的稳压频率范围越大。实际上，Ls(例如，集成变压器解决方案的漏电感)只能在有限的范围内取值，并由变压器的结构(针对所需的功率水平)和匝数比决定。然后，q因子的计算由所需的额定工作频率fs决定。之后，还必须计算k因子，以确保输出电压稳定所需的增益(随线路和负载变化)。当设置k因子时，转换器不能在

11、轻负载下保持电压稳定。可以方便地使用周期跳跃模式来降低空载功耗。对于半桥LLC谐振变换器的设计，还涉及到其他一些重要因素，如一次电流和谐振电容参数的确定、二次整流的设计和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡、变压器绕组参数的确定以及变压器的制造。这些进一步的设计信息可以通过联系安塞尔米半导体公司获得。安塞尔米半导体公司的半桥有限责任公司谐振转换器解决方案作为全球领先的高效率功率半导体解决方案供应商，安塞尔米半导体提供半桥有限责任公司谐振转换器解决方案，包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款内置驱动程序的新型设备。它们都提供了所有必要的功能，以构建一个可靠、稳定、待机能耗极

12、低的谐振模式开关电源。其主要特点包括：50千赫至1.0兆赫(NCP1395)的宽频率范围、可调死区时间、可调软启动、可调最小和最大频率漂移、低启动电流、欠压检测、可调故障定时器间隔和跳周期的可能性等。NCP1396独特的架构包括一个500千赫压控振荡器。由于避免谐振电路结构中的谐振峰值非常重要，为了将转换器布置在正确的工作区域，NCP1396内置了可调节且精确的最小开关频率，这得到了专有高压技术的支持。该控制器应用于自举场效应晶体管驱动电路，可以接受高达600伏体电压的半桥应用。此外，可调死区时间有助于解决上下晶体管之间的互导通问题，保证主开关在所有负载条件下的零电压转换(ZVS)，并容易实现

13、跳周期模式，提高空载待机能耗和工作效率。NCP1396/5具有多种保护功能，可提供更好的电路保护，并在不增加电路复杂性的情况下提供更安全的转换器设计。NCP1396/5的各种增强保护功能包括反馈回路故障检测、快速和低速事件输入以及可避免在低输入电压下工作的低电源电压检测。对于各种电源应用设计，NCP1396有两种型号：A和B。两种型号之间的区别如下：1)在不同的启动阈值下，NCP1396A和NCP1396B分别为VCC=13.3伏和VCC=10.5伏(相应地，NCP1395A和NCP1395B分别为VCC=12.8伏和VCC=10伏)；2)当快速故障输入被释放时，NCP1396A/NCP139

14、5A将不激活软启动功能，而当快速故障输入被释放时，NCP1396B/NCP1395B将通过软启动序列恢复工作。在设计方面，建议将NCP1396A/NCP1395A用于高功耗应用，在这些应用中，设计人员可以使用外部启动电阻，而NCP1396B/NCP1395B更适合工业/医疗应用，在这些应用中，12 V辅助电源可以直接为芯片供电。图6:采用NCP1396A的安森美半导体绿点TM 220瓦液晶电视电源的参考设计。摘要输出功率在150瓦至600瓦之间的液晶电视和等离子电视等应用要求开关电源具有高功率密度和平滑的电磁干扰信号，并且该解决方案元件少、性价比高。虽然开关电源可以采用多种拓扑结构，但双电感单电容串联谐振变换器在满足这些应用需求方面具有独特的优