十幾年來，電源行業(yè)廣泛采用了圖1中所示的電感器-電感器-電容器 (LLC)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(LLC-SRC)作為低成本、高效率的隔離式功率級(jí)，其中包含兩個(gè)諧振電感器（兩個(gè)“L”：L_m 和 L_r）和一個(gè)諧振電容器（一個(gè)“C”：C_r）。LLC-SRC器件具有軟開關(guān)特性，沒有復(fù)雜的控制方案。得益于軟開關(guān)特性，該器件支持使用額定電壓較低的元件，并可提高效率。該器件采用簡(jiǎn)單的控制方案，即具有 50% 固定占空比的變頻調(diào)制方案，與相移全橋轉(zhuǎn)換器等用于其他軟開關(guān)拓?fù)涞目刂破飨啾?，所需的控制器成本更低?/p>

圖1 LLC-SRC

LLC-SRC設(shè)計(jì)優(yōu)化的兩大挑戰(zhàn)

盡管LLC-SRC的效率可以比硬開關(guān)反激式和正激式轉(zhuǎn)換器高很多，但如果要實(shí)現(xiàn)最佳的效率，仍然存在一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

首先，在LLC-SRC設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)足夠?qū)挼目煽胤秶?，兩個(gè)諧振電感器之比(L_m/L_r)可能必須小于10。同時(shí)，需要L_m具有較大的電感，以便降低循環(huán)電流，因此需要保持高 L_r 電感以確保諧振電感比值低。

值得注意的是，串聯(lián)諧振電感器L_r中的電流完全是交流電，沒有任何直流分量，這意味著磁通密度變化很大（即ΔB很高）。高ΔB意味著與交流相關(guān)的電感器損耗也很高。如果電感器繞在鐵氧體磁芯上，磁芯空氣間隙附近的邊緣效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較高的繞組損耗。

L_r電感高，則意味著電感器匝數(shù)較多、交流繞組損耗較大。因此，許多LLC-SRC設(shè)計(jì)都對(duì)諧振電感器采用鐵粉磁芯，在繞組損耗和磁芯損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。然而，高ΔB會(huì)在諧振電感器上產(chǎn)生相當(dāng)大的損耗：高繞組損耗或高磁芯損耗。

LLC-SRC設(shè)計(jì)的第二個(gè)挑戰(zhàn)是如何合理優(yōu)化同步整流器(SR)控制。LLC-SRC 整流器電流傳導(dǎo)時(shí)序取決于負(fù)載條件和開關(guān)頻率。最有前景的LLC-SRC SR控制方法是檢測(cè)SR場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)漏源電壓(V_DS)，并在V_DS低于或高于特定電平時(shí)開啟和關(guān)閉SR。V_DS檢測(cè)方法需要毫伏級(jí)的精度，因此只能在集成電路中實(shí)現(xiàn)。自驅(qū)動(dòng)或其他低成本S_R控制方案不適用于LLC-SRC，因?yàn)榇祟惼骷捎脦щ娙葚?fù)載的電流饋入型輸出配置。因此，LLC-SRC SR控制器電路的成本通常高于其他拓?fù)涞某杀尽?/p>

圖2 改良版 CLL-MRC

改良版CLL-MRC

為了解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)（高電感器損耗和 SR 控制），同時(shí)保持諧振轉(zhuǎn)換器所能提供的大部分優(yōu)勢(shì)，請(qǐng)考慮使用改良版CLL 多諧振轉(zhuǎn)換器(CLL-MRC)，如圖 2 所示。

與所有三個(gè)諧振元件（一個(gè)電容器和兩個(gè)電感器）都位于輸入側(cè)的 CLL-MRC 不同，改良版CLL-MRC將一個(gè)電感器從輸入側(cè)移動(dòng)到輸出側(cè)，并將電感器放置在整流器L_o之后，如圖 2 所示。這種修改允許諧振電感器上含有直流電流，這意味著ΔB 更小，磁損耗也可能更低。

圖 3 展示了改良版CLL-MRC的工作原理，其中f_sw是轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，而f_r1={2π[C_r (L_r1 //L_r2 )] ^0.5}^-1是兩個(gè)諧振頻率的其中之一。當(dāng)f_sw低于f_r1時(shí)，輸出繞組電流在開關(guān)周期結(jié)束前下降到零，這一點(diǎn)與LLC-SRC中的輸出繞組電流類似?，F(xiàn)在，輸出端有一個(gè)電感器。一組簡(jiǎn)單的電容器和電阻器即可檢測(cè)輸出電感器電壓。每次出現(xiàn)較大的電壓變化率(dV/dt)時(shí)，便是開啟或關(guān)閉SR的時(shí)機(jī)。因此，SR 控制方案的成本低于V_DS檢測(cè)方案。

圖3 改良版 CLL-MRC 的重要波形：f_sw < f_r1（上），f_sw > f_r1（下）

當(dāng)f_sw高于f_r1時(shí)，輸出電感器電流會(huì)處于連續(xù)導(dǎo)通模式。換言之，與LLC-SRC相比，ΔB減小，電感器交流損耗可能大幅減小，轉(zhuǎn)換器效率可能提高。

為了驗(yàn)證這些性能假設(shè)，我構(gòu)建了一個(gè)LLC-SRC和另一個(gè)具有完全相同元件和參數(shù)的改良版CLL-MRC功率級(jí)。兩者唯一的區(qū)別是72μH電感器用作LLC-SRC諧振電感器，1μH電感器用作改良版CLL-MRC輸出電感器。

圖4顯示了兩個(gè)功率級(jí)的效率測(cè)量結(jié)果。當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，f_sw小于f_r1，因此改良版CLL-MRC中的L_o電流仍處于不連續(xù)導(dǎo)通模式，并具有較大的ΔB。因此，在這種運(yùn)行條件下，改良版CLL-MRC沒有效率優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，f_sw大于f_r1，L_o電流處于連續(xù)導(dǎo)通模式。使用430V輸入時(shí)，改良版CLL-MRC的效率比LLC-SRC高 1%。這一比較表明，如果將改良版CLL-MRC設(shè)計(jì)為始終在高于f_r1的頻率下運(yùn)行，則其在整個(gè)范圍內(nèi)的效率性能可能優(yōu)于LLC-SRC。

圖4 不同輸入電壓電平下的轉(zhuǎn)換器效率：改良版CLL-MRC（頂部），LLC-SRC（底部）

結(jié)語

LLC-SRC確實(shí)是出色的拓?fù)?，可提供許多吸引人的特性。但根據(jù)應(yīng)用的不同，其可能并不是最佳解決方案。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的電路成本，有時(shí)需要跳出思維定式。

德州儀器“電源設(shè)計(jì)小貼士”系列技術(shù)文章由德州儀器專家創(chuàng)建并撰寫，旨在深入剖析當(dāng)前電源設(shè)計(jì)普遍面臨的難題，并提供一系列切實(shí)可行的解決方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，幫助設(shè)計(jì)人員更好應(yīng)對(duì)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，助力設(shè)計(jì)更加高效、可靠。