LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和PCB布局布線基本技巧概述

DC-DC轉(zhuǎn)換器很難設(shè)計(jì)，甚至可能伴隨風(fēng)險(xiǎn)，尤其是當(dāng)我們考慮具有高電流輸出的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)。在各種類型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，除非您查看電力電子公司的應(yīng)用說(shuō)明，否則很少會(huì)討論LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。這些轉(zhuǎn)換器是高功率系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，例如LED燈組、電器、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器電源以及許多其他電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

一旦著眼于實(shí)現(xiàn)反饋環(huán)路的控制算法和方法，LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)就會(huì)開(kāi)始顯示其價(jià)值。您可以實(shí)現(xiàn)用于升降壓型轉(zhuǎn)換器的相同類型的控制算法，以適應(yīng)衰減或過(guò)多紋波的電源，也可以通過(guò)這種類型的隔離式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器達(dá)到更高的輸出功率。當(dāng)您準(zhǔn)備好為這些系統(tǒng)創(chuàng)建PCB布局布線時(shí)，您需要記住一些關(guān)于安全、熱管理和噪聲抑制方面的要點(diǎn)。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

LLC諧振轉(zhuǎn)換器是一種隔離式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，為開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇合適的頻率以控制輸出電壓。這與標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器（例如，降壓或升壓拓?fù)洌┬纬甚r明對(duì)比，后者的輸出需要通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這些系統(tǒng)有許多高功率應(yīng)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(zhuǎn)換器的各個(gè)部分。轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)通常由整流器、功率調(diào)節(jié)級(jí)（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(gè)EMI濾波器。請(qǐng)注意，LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)并不嚴(yán)格要求PFC級(jí)，但它會(huì)保持高功率轉(zhuǎn)換效率，就像在任何其他開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中一樣。

圖1. 一般LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

全橋與半橋開(kāi)關(guān)

LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)元件有兩種可能的配置。全橋開(kāi)關(guān)電路有4個(gè)MOSFET，而半橋開(kāi)關(guān)電路有2個(gè)MOSFET。這些元件以相同的方式打開(kāi)和關(guān)閉，橋式整流器中的二極管在提供交流電源時(shí)在正向和反向偏壓之間切換。在這里，全橋通常會(huì)占用更多空間并產(chǎn)生更多噪聲。我更喜歡半橋開(kāi)關(guān)電路，因?yàn)轭l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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路

輸出整流

輸出側(cè)的整流可以通過(guò)多種方式應(yīng)用。這里的目標(biāo)是控制電流的方向，使輸出始終為直流。輸出側(cè)的電容器會(huì)在橋接部分切換時(shí)消除任何紋波。在更簡(jiǎn)單的LLC轉(zhuǎn)換器中，輸出整流由二極管提供，而更高電流的LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可能使用MOSFET在輸出側(cè)提供整流。

控制輸出

通過(guò)在變壓器上選擇適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比來(lái)設(shè)置輸出，就像使用交流電路一樣。然而，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送到開(kāi)關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，即可控制在變壓器的初級(jí)側(cè)看到的電壓大小。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比約為50%的脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號(hào)。

由于電路中唯一的電阻是MOSFET的導(dǎo)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(qū)動(dòng)器需要調(diào)整PFM信號(hào)頻率并使系統(tǒng)更接近諧振。通過(guò)這種方式，可以通過(guò)在變壓器的初級(jí)側(cè)利用足夠的增益來(lái)增加輸出功率。

圖 3. LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的反饋控制

這種類型的控制方法非常簡(jiǎn)單，只需通過(guò)反饋環(huán)路、電流或電壓檢測(cè)電路以及MCU即可實(shí)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(qū)動(dòng)橋電路所需的脈沖信號(hào)。通常需要光耦合器來(lái)感測(cè)輸出并將其反饋到輸入以調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，這將允許將感測(cè)到的輸出傳回初級(jí)側(cè)，同時(shí)保持隔離。完成電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)通常用于中等高壓系統(tǒng)，因此需要遵循一些基本設(shè)計(jì)技巧：

輸出變壓器：在放置最終變壓器時(shí)，請(qǐng)遵循隔離式直流電源的最佳實(shí)踐。變壓器會(huì)將高壓側(cè)與輸出隔離開(kāi)來(lái)，但要注意這一點(diǎn)；操作人員仍可能暴露在反饋回路的高電壓下。

MOSFET整流器：對(duì)于高電流輸出系統(tǒng)，您最終可能會(huì)在輸出側(cè)使用MOSFET來(lái)提供高電流整流。一組MOSFET甚至可以在輸出側(cè)并聯(lián)使用，以便在不冒擊穿風(fēng)險(xiǎn)的情況下提供大電流。

間隙：如果在高壓下工作，請(qǐng)利用PCB設(shè)計(jì)工具中的間隙設(shè)計(jì)規(guī)則。您要確保電路板不違反關(guān)于導(dǎo)體之間具有高電位差間隙的安全標(biāo)準(zhǔn)。

隔離：如上所述，需要使用光耦合器將已感測(cè)的輸出傳遞回控制器IC上的反饋引腳來(lái)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(huì)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（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(fēng)扇或兩者兼有，或者安裝到特定元件。對(duì)于可能以500W或更高功率運(yùn)行的LED板，最好的選擇是使用金屬芯PCB，因?yàn)榻饘傩緯?huì)提供自然散熱。關(guān)鍵焊盤(pán)上的熱通孔也可以將熱量注入平面層以提供幫助。

當(dāng)您準(zhǔn)備好創(chuàng)建下一個(gè)LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)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(tái)上共享您的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，輕松與您的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作并管理您的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

審核編輯：劉清