LLC諧振轉換器設計方案

博客作者：Zachariah Peterson

DC-DC轉換器很難設計，甚至可能伴隨風險，尤其是當我們考慮具有高電流輸出的開關轉換器時。在各種類型的開關轉換器及其拓撲結構中，除非您查看電力電子公司的應用說明，否則很少會討論LLC諧振轉換器設計。這些轉換器是高功率系統(tǒng)的關鍵部分，例如LED燈組、電器、臺式機和服務器電源以及許多其他電源轉換系統(tǒng)。

一旦著眼于實現(xiàn)反饋環(huán)路的控制算法和方法，LLC諧振轉換器設計就會開始顯示其價值。您可以實現(xiàn)用于升降壓型轉換器的相同類型的控制算法，以適應衰減或過多紋波的電源，也可以通過這種類型的隔離式開關轉換器達到更高的輸出功率。當您準備好為這些系統(tǒng)創(chuàng)建PCB布局布線時，您需要記住一些關于安全、熱管理和噪聲抑制方面的要點。

LLC諧振轉換器設計

LLC諧振轉換器是一種隔離式開關轉換器，為開關信號選擇合適的頻率以控制輸出電壓。這與標準的開關轉換器（例如，降壓或升壓拓撲）形成鮮明對比，后者的輸出需要通過開關信號的占空比來實現(xiàn)控制。這些系統(tǒng)有許多高功率應用，包括在具有交流電源輸入的系統(tǒng)中。

下面的框圖顯示了LLC諧振轉換器的各個部分。轉換器的輸入級通常由整流器、功率調節(jié)級（PFC電路）和平滑電容器組組成。如果我們要處理交流電源，可以在這里放置一個EMI濾波器。請注意，LLC諧振轉換器設計并不嚴格要求PFC級，但它會保持高功率轉換效率，就像在任何其他開關穩(wěn)壓器中一樣。

圖1. 一般LLC諧振轉換器拓撲

全橋與半橋開關

LLC諧振轉換器設計中的開關元件有兩種可能的配置。全橋開關電路有4個MOSFET，而半橋開關電路有2個MOSFET。這些元件以相同的方式打開和關閉，橋式整流器中的二極管在提供交流電源時在正向和反向偏壓之間切換。在這里，全橋通常會占用更多空間并產(chǎn)生更多噪聲。我更喜歡半橋開關電路，因為頻率控制所需的電容器可以直接放置在半橋電路（C1和C2）中。

圖 2. 用于LLC諧振轉換器設計的開關電路

輸出整流

輸出側的整流可以通過多種方式應用。這里的目標是控制電流的方向，使輸出始終為直流。輸出側的電容器會在橋接部分切換時消除任何紋波。在更簡單的LLC轉換器中，輸出整流由二極管提供，而更高電流的LLC諧振轉換器設計可能使用MOSFET在輸出側提供整流。

控制輸出

通過在變壓器上選擇適當?shù)脑褦?shù)比來設置輸出，就像使用交流電路一樣。然而，通過調節(jié)發(fā)送到開關電路的驅動信號的頻率，即可控制在變壓器的初級側看到的電壓大小。該驅動信號是占空比約為50%的脈沖頻率調制（PFM）信號。

由于電路中唯一的電阻是MOSFET的導通電阻和變壓器/電感線圈的繞組電阻，LC諧振箱電路將有一些增益。典型的增益值是1到1.5。隨著輸出功率下降，驅動器需要調整PFM信號頻率并使系統(tǒng)更接近諧振。通過這種方式，可以通過在變壓器的初級側利用足夠的增益來增加輸出功率。

圖 3. LLC諧振轉換器設計中的反饋控制

這種類型的控制方法非常簡單，只需通過反饋環(huán)路、電流或電壓檢測電路以及MCU即可實現(xiàn)，如圖3所示。此外，集成的PMIC也可以提供這種傳感功能，并提供驅動橋電路所需的脈沖信號。通常需要光耦合器來感測輸出并將其反饋到輸入以調整開關頻率，這將允許將感測到的輸出傳回初級側，同時保持隔離。完成電路設計并選擇全部所需的元件后，您需要考慮如何將其全部納入PCB布局布線。

PCB布局布線中的元件放置

由于LLC諧振轉換器設計通常用于中等高壓系統(tǒng)，因此需要遵循一些基本設計技巧：

輸出變壓器：在放置最終變壓器時，請遵循隔離式直流電源的最佳實踐。變壓器會將高壓側與輸出隔離開來，但要注意這一點；操作人員仍可能暴露在反饋回路的高電壓下。

MOSFET整流器：對于高電流輸出系統(tǒng)，您最終可能會在輸出側使用MOSFET來提供高電流整流。一組MOSFET甚至可以在輸出側并聯(lián)使用，以便在不冒擊穿風險的情況下提供大電流。

間隙：如果在高壓下工作，請利用PCB設計工具中的間隙設計規(guī)則。您要確保電路板不違反關于導體之間具有高電位差間隙的安全標準。

隔離：如上所述，需要使用光耦合器將已感測的輸出傳遞回控制器IC上的反饋引腳來保持隔離。變壓器還需要提供某種頻率/電壓限制以下的某種程度的隔離電壓，這可能會在行業(yè)標準（IEC或UL）或法規(guī)中有所規(guī)定。

與大多數(shù)高功率系統(tǒng)一樣，布局布線很可能需要散熱器、風扇或兩者兼有，或者安裝到特定元件。對于可能以500W或更高功率運行的LED板，最好的選擇是使用金屬芯PCB，因為金屬芯會提供自然散熱。關鍵焊盤上的熱通孔也可以將熱量注入平面層以提供幫助。

當您準備好創(chuàng)建下一個LLC諧振轉換器設計時，請使用Altium Designer中的原理圖編輯器和PCB布局布線工具。創(chuàng)建原理圖和PCB布局布線后，您可以在Altium 365平臺上共享您的設計數(shù)據(jù)，輕松與您的設計團隊協(xié)作并管理您的設計數(shù)據(jù)。

審核編輯：湯梓紅