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。