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半桥LLC谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案

2015-05-20   来源:互联网   点击:
近年来,液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。这些市场及其它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS):* 150 W至600 W的输出功率范围* 采用有源或无源PFC(由所需功率决定)* 宽度和...

近年来,液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。这些市场及其它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS):

* 150 W至600 W的输出功率范围
* 采用有源或无源PFC(由所需功率决定)
* 宽度和空间有限,无散热风扇,通风条件有限
* 面向竞争激烈的消费电子市场

这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号,而且解决方案元器件数量少、性价比高。虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多,但双电感加单电容(LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。

这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。通常反激式拓扑结构最适用于功率不超过70 W、面板尺寸不超过21英寸的应用,双反激拓扑结构则适合功率介于120 W至180 W之间、26至32英寸的应用,而半桥LLC则在120 W至300 W乃至更高功率范围下都适用,适合于从中等(26至32英寸)、较大(37英寸)和大尺寸(大于40英寸)等更宽范围的应用。

此外,在LLC串联谐振转换器拓扑结构中,元器件数量有限,谐振储能(tank)元件能够集成到单个变压器中,因此只需要1个磁性元件。在所有正常负载条件下,初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作,没有反向恢复损耗。总的来看,半桥LLC串联谐振转换器是适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI性能优异的解决方案。

半桥LLC转换器中谐振电容和谐振电感的配置

LLC半桥转换器的构造存在着单谐振电容(CS)和分体(split)谐振电容(CS1和CS2)等不同方案。如图1所示。对于单谐振电容配置而言,它的输入电流纹波和均方根(RMS)值较高,而且流经谐振电容的均方根电流较大。这种方案需要耐高压(600 至1,500 V)的谐振电容。不过,这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。

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图1:半桥LLC转换器的两种不同配置:(a)单谐振电容;(b)分体谐振电容

与单个谐振电容配置相比,分体谐振电容配置的输入电流纹波和均方根值较小,谐振电容仅处理一半的均方根电流,且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。当利用钳位二极管(D3和D4)进行简单、廉价的过载保护时,这种方案中,谐振电容可以采用450 V较低额定电压工作。

顾名思义,半桥LLC转换器中包含2个电感(励磁电感Lm和串联的谐振电感Ls)。根据谐振电感位置的不同,谐振回路(resonant tank)也包括两种不同的配置,一种为分立解决方案,另一种为集成解决方案。这两种解决方案各有其优缺点,采用这两种方案的LLC的工作方式也有轻微差别。

对于分立解决方案而言,谐振电感置于变压器外面。这使得设计灵活性也就更高,令设计人员可以灵活设置的Ls和Lm的值;此外,EMI幅射也更低。不过,这种解决方案的缺点在于变压器初级和次级绕组之间的绝缘变得复杂和绕组的冷却条件变差,并需要组装更多元件。

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图2:谐振储能元件的两种不同配置:(a)分立解决方案;(b)集成解决方案

在另一种集成的解决方案中,变压器的漏电感被用作谐振电感(LLK=LS)。这种解决方案只需1个磁性元件,成本更低,而且会使得开关电源的尺寸更小。此外,变压器绕组的冷却条件更好,且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过,这种解决方案的灵活性相对较差(可用的LS电感范围有限),且其EMI幅射更强,而初级和次级绕组之间存在较强的邻近效应。

半桥LLC转换器的工作状态

根据负载条件的不同,LLC转换器的频率会出现变化。对于分立谐振回路解决方案而言,可以定义两个谐振频率,分别是串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin。其中,
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LLC转换器的工作频率取决于功率需求。功率需求较低时,工作频率相当高,超出谐振点。相反,功率需求较高时,控制环路会降低开关频率,使其中一个谐振频率提供负载所需大小的电流。总的来看,LLC转换器工作在5种不同的工作状态,分别是:a) 在Fs和Fmin之间;b)直接谐振在Fs;c)高于Fs;d)在Fs和Fmin 之间-过载;e)低于Fmin。

与分立储能电路解决方案相比,集成储能电路解决方案的行为特性不同,如漏电感LLK来自于变压器耦合,且LLK仅在变压器初级和次级之间存在能量转换时参与谐振;此外,一旦次级二级管在零电流开关(ZCS)条件下关闭, LLK就没有能量。对于半桥LLC而言,次级二极管始终处于关闭状态。谐振电感Ls和励磁电感Lm不会象分立谐振回路解决方案那样一起参与谐振。

集成储能电路解决方案也能够定义两种谐振频率:Fs和Fmin。其中,

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这种解决方案同样存在5种工作状态,分别是:a) 在Fs和Fmin之间;b)直接在谐振Fs;c)高于Fs;d)在Fs和Fmin 之间-过载;e)低于Fmin。

半桥LLC转换器建模和增益特性

LLC转换器可以通过一阶基波近似来描述。但只是近似,精度有限。而在Fs频率附近精度达到最高。

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图3:LLC转换器的近似等效电路。

等效电路的传递函数为:

这其中,Z1和Z2与频率有关,由此可知LLC转换器的行为特性类似于与频率有关的分频器,负载越高,励磁电感Lm所受到的由交流电阻Rac产生的钳位作用就越大。这样一来,LLC储能电路的谐振频率就在Fs和Fmin之间变化。在使用基波近似时,实际的负载电阻必须修改,因为实际的谐振回路是由方波电压驱动的。

相应地,转换器的品质因数为:\,特性阻抗为: \

增益为:\,Lm/Ls比为:  \

串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin分别为:

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图4:标准化增益特性(区域1和区域2为ZVS工作区域,区域3为ZCS工作区域)

LLC转换器所需要的工作区域是增益曲线的右侧区域(其中的负斜率意味着初级MOSFET工作在零电压开关ZVS模式下)。当LLC转换器工作在fs=1(对于分立谐振回路解决方案而言)的状态下时,它的增益由变压器的匝数比来给定。从效率和EMI的角度来讲,这个工作点最具吸引力,因为正弦初级电流、MOSFET和次级二极管都得到优化利用。该工作点只能在特定的工作电压和负载条件下达到(通常是在满载和额定Vbulk电压时)。

增益特性曲线的波形及所需的工作频率范围由如下参数来确定:Lm/Ls比(即k)、谐振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真软件来进行基波近似和AC仿真。

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图4:分立(a)和集成(b)谐振回路解决方案的仿真原理图。

对于LLC谐振转换器而言,满载时品质因数Q和Lm/Ls比k这两个因数的恰当选择是其设计的关键。这方面的选择将影响到如下转换器特性:
> 输出电压稳压所需的工作频率范围
> 线路和负载稳压范围
> 谐振回路中循环能量的大小
> 转换器的效率

要优化满载时的Q和k因数,效率、线路和负载稳压范围通常是最重要的依据。品质因数Q直接取决于负载,它是由满载条件下的谐振电感Ls和谐振电容CS确定的。Q因数越高,就导致工作频率范围Fop越大。Q值较高及给定负载时,特征阻抗就必须较低,因为低Q会导致稳压能力下降,且Q值很低的情况下LLC增益特性会退化到SRC。

而在k=Lm/Ls方面,它决定了励磁电感中存储多少能量。k值越高,转换器的励磁电流和增益也就越低;且k因数越大,所需的稳压频率范围也就越大。

在实践中,Ls(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,而且是由变压器的构造(针对所需的功率等级)和匝数比决定。然后,Q因数的计算由所需的额定工作频率fs确定。这之后,k因数也必须计算出来,以确保输出电压稳压(带有线路和负载变化)所需的增益。而在设定k因数时,可以让转换器在轻载时无法维持稳压——可以方便地使用跳周期模式来降低空载功耗。

对于半桥LLC谐振转换器的设计而言,还涉及到其它的一些重要因素,如初级电流和谐振电容的参数确定、次级整流设计和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡性、变压器绕组参数的确定和变压器的制作等。这些进一步的设计信息可以联系安森美半导体获得。

安森美半导体的半桥LLC谐振转换器解决方案NCP1395/NCP1396

作为全球领先的高能效电源半导体解决方案供应商,安森美半导体提供的半桥LLC谐振转换器解决方案包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款更新的器件,内置驱动器。它们均为为构建可靠及稳固的谐振模式开关电源提供了所有必需功能,具有极低的待机能耗。它们的关键特性包括:50 kHz至1.0 MHz的宽广频率范围(NCP1395)、可调节的死区时间(dead?time)、可调节的软启动、可调节的最小和最大频率漂移、低启动电流、欠压检测、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性等。

NCP1396的独特架构包括一个500?kHz的压控振荡器,由于在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要,因此为了将转换器安排在正确的工作区域, NCP1396内置了可调节且精确的最低开关频率,通过专有高电压技术支持,这款控制器应用在能够接受高达600?V本体电压半桥式应用的自举 MOSFET驱动电路上。此外,可调整的死区时间可以帮助解决上方与下方晶体管相互传导的问题,同时确保一次端开关在所有负载情 况下的零电压转换(ZVS),并轻松实现跳周期模式来改善待机能耗以及空载时的工作效率。

NCP1396/5具备多重保护功能,提供更好的电路保护,带来更安全的转换器设计而不增加电路的复杂度,NCP1396/5的各种强化保护功能包括有反馈环路失效侦测、快速与低速事件输入,以及可以避免在低输入电压下工作的电源电压过低侦测等。

面向各种多样化的电源应用设计,NCP1396提供有两种型号选择:A和B。两种型号的不同表现在:
1)启动阀值不同,NCP1396A和NCP1396B分别是VCC=13.3 V和VCC=10.5 V(相应地NCP1395A和NCP1395B分别为VCC=12.8 V和VCC=10 V);
2)在释出快速故障输入时NCP1396A/NCP1395A不会激活软启动功能,而NCP1396B/NCP1395B则会在快速故障输入释出时通过软启动序列恢复工作。

从设计上来看,NCP1396A/NCP1395A推荐用于大功率消费类应用设计,在这些设计中设计人员能够使用外部启动电阻,而NCP1396B/NCP1395B更适合于工业/医疗应用,这些应用中的12 V辅助电源能够直接为芯片供电。

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图5:采用NCP1396A的安森美半导体GreenPointTM 220瓦液晶电视电源参考设计。

总结

输出功率在150 W至600 W之间的液晶电视和等离子电视等应用要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号,而且解决方案元器件数量少、性价比高。虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多,但双电感加单电容(LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。本文主要分析了半桥LLC谐振转换器的一些重要的设计考虑,如谐振电容和谐振电感的配置、工作状态、建模和增益特性等。此外,还包括其它一些考虑因素,如初级电流和谐振电容的参数确定、次级整流设计和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡性、变压器绕组参数的确定和变压器的制作等。本文最后还简要介绍了安森美半导体的两款高能效半桥LLC谐振转换器解决方案NCP1395和NCP1396的主要特性及其应用设计侧重点,方便客户的应用设计,加快产品上市进程。

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