NEST163 July 2025 LM317
電感器 - 電感器 - 電容器 (LLC) 共振轉(zhuǎn)換器具備對(duì)於隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用非常有吸引力的特性，例如：切換損耗極小，低於諧振頻率運(yùn)作時(shí)無(wú)反向復(fù)原，以及耐受變壓器內(nèi)大型洩漏電感的能力。
挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)具有廣泛操作範(fàn)圍的 LLC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，面臨的主要挑戰(zhàn)是增益曲線(xiàn)相對(duì)於等效負(fù)載電阻的行為。這是因?yàn)殡S著品質(zhì)係數(shù) (Qe) 增加，可實(shí)現(xiàn)的最大增益會(huì)下降，可實(shí)現(xiàn)的最小增益；反之，當(dāng) Qe 減少時(shí)，最小增益會(huì)提高。此過(guò)程如圖 1所示。
圖 1 LLC 增益曲線(xiàn)顯示，隨著 Qe 增加，最大可實(shí)現(xiàn)增益會(huì)減少。來(lái)源：德州儀器這種行為使得在功率級(jí)中維持合理均方根 (RMS) 電流和合理切換頻率範(fàn)圍變得很困難。為了縮小所需頻率範(fàn)圍，需要降低電感比 (Ln)；然而，較低的電感比會(huì)增加功率級(jí)中的磁化電流。本文將討論設(shè)計(jì) LLC 轉(zhuǎn)換器並使其具備廣泛操作範(fàn)圍的五個(gè)訣竅。
採(cǎi)用可重新設(shè)定的整流器
擴(kuò)展 LLC 轉(zhuǎn)換器操作範(fàn)圍的一種潛在方法是採(cǎi)用可重新設(shè)定的整流器，如圖 2所示。
圖 2 顯示具有可重新設(shè)定整流器的 LLC 轉(zhuǎn)換器，該整流器可重新設(shè)定為全橋或電壓倍增器。來(lái)源：德州儀器在此架構(gòu)中，可透過(guò)比較器觀察輸出電壓，進(jìn)而決定運(yùn)作模式，將整流器配置為全橋或電壓倍增器整流器。以全橋整流器運(yùn)作時(shí)，等式 3 會(huì)計(jì)算輸入至輸出的傳輸函數(shù)。
以電壓倍增器整流器運(yùn)作時(shí)，輸入至輸出的傳輸函數(shù)為：
圖 3顯示使用上述方法的 LLC 架構(gòu)，在固定輸入電壓為 450V 的條件下，達(dá)成 140V 至 420V 輸出電壓範(fàn)圍時(shí)的切換頻率與輸出電壓關(guān)係。此資料在輸出端接上 800mA 負(fù)載時(shí)測(cè)量而得。請(qǐng)注意，於 200V 處有一跳變，為比較器從全橋切換為倍壓所致。
圖 3 LED 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)的切換頻率與輸出電壓比較。來(lái)源：德州儀器最小化繞組與整流器電容
如果操作點(diǎn)降至最小增益曲線(xiàn)以下，LLC 控制器將被迫在突衝模式下運(yùn)作，以維持輸出電壓穩(wěn)定。然而，突衝模式會(huì)導(dǎo)致低頻輸出漣波電壓上升。對(duì)於在輕負(fù)載和最小輸出電壓下需要極低輸出漣波的應(yīng)用而言，這將成為一大隱憂(yōu)。
在這種情況下，必須將變壓器內(nèi)的繞組電容和整流器的輸出電容 (Coss) 或接面電容 (Cj) 降至最低。這些寄生電容在運(yùn)作頻率高於諧振點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成增益曲線(xiàn)反轉(zhuǎn)。圖 4顯示傳統(tǒng)一次諧波近似 (FHA) 計(jì)算的 LLC 輕載增益曲線(xiàn)，並比較了考慮變壓器繞組電容與整流器 Coss 時(shí)所得到的增益曲線(xiàn)。
圖 4 低負(fù)載時(shí)寄生電容對(duì) LLC 增益曲線(xiàn)的影響。來(lái)源：德州儀器仔細(xì)設(shè)計(jì)變壓器內(nèi)部繞組的堆疊方式，並選擇適當(dāng)?shù)恼髟?，有助於減少增益曲線(xiàn)反轉(zhuǎn)的效應(yīng)。與矽 MOSFET 或二極體相比，使用 SIC 二極體或 GaN 高電子移動(dòng)電晶體 (HEMT) 等寬能隙裝置做為整流器可大幅降低 Coss。
使用具備高頻率略過(guò)模式的 LLC 控制器
與正常切換相比，高頻率略過(guò)模式可實(shí)現(xiàn)更低的增益。下列範(fàn)例是一個(gè) 100W 半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器，其輸入範(fàn)圍為 70V 至 450V。在圖 5中，共振電流以綠色顯示，一次側(cè)切換節(jié)點(diǎn)則以藍(lán)色顯示。
右側(cè)是LLC 轉(zhuǎn)換器以高頻略過(guò)模式運(yùn)作的情形，每四個(gè)切換週期就省略一次切換。雖然名義切換頻率為 260kHz，但其實(shí)際以 77kHz 的突發(fā)頻率進(jìn)行子調(diào)變。
圖 5 100W LLC 轉(zhuǎn)換器在 70V 和 450V 輸入下的切換行為，共振電流為綠色，一次側(cè)切換節(jié)點(diǎn)為藍(lán)色。來(lái)源：德州儀器管理輔助偏壓電壓
透過(guò)在 LLC 變壓器上加入輔助繞組，即可為電源供應(yīng)器的一次和二次側(cè)產(chǎn)生必要的偏壓電壓。對(duì)於具有可變輸出電壓的 LLC 轉(zhuǎn)換器，輔助繞組電壓將隨輸出電壓變化而改變。這一情況在使用分段線(xiàn)束的 LLC 變壓器中更為明顯，因?yàn)槠漭o助繞組與次級(jí)繞組的耦合較差。使用簡(jiǎn)單的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 架構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)偏壓電壓時(shí)，效率會(huì)隨輸出電壓增加而下降。此時(shí)可能需要較大的實(shí)體封裝來(lái)處理功率消耗。
在圖 6中，Naux1 和 Naux2 的繞比設(shè)計(jì)為：在最低輸出電壓時(shí)，透過(guò) D1、Q1 與 D4 為 VCC 偏壓提供能量。隨著輸出電壓增加，C2 上的電壓受齊納二極體 D3 的崩潰電壓與 Q1 的閘源閾值電壓之差所限制。隨著輸出電壓進(jìn)一步增加，Naux2 所產(chǎn)生的電壓足以供應(yīng) VCC，此時(shí) Q1 會(huì)因?yàn)殚l源電壓低於關(guān)斷閾值而被強(qiáng)制關(guān)閉。
圖 6 使用輔助繞組和 LDO 結(jié)構(gòu)，為電源供應(yīng)器的一次側(cè)和二次側(cè)產(chǎn)生必要的偏壓電壓。來(lái)源：德州儀器此方法比單繞組配合 LDO 更有效率，但需要兩個(gè)輔助繞組。另一種只需一個(gè)輔助繞組的替代方式是使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)取代 LDO。
管理深度放電電池的涓流充電
若 LLC 轉(zhuǎn)換器作為電池充電器使用，必須具備安全恢復(fù)深度放電電池的能力，需以涓流電流充電，直到電池組電壓達(dá)到可安全承受完整充電電流的程度。然而，LLC 無(wú)法在 0V 輸出電壓下提供穩(wěn)定的小電流，因此難以直接支援此需求。
解決方法是在輸出端並聯(lián)一組小電流恆流電路及一顆旁通 FET，如圖 7所示。在涓流充電模式下，旁路 FET 會(huì)關(guān)閉，輸出電流由配置成恆流模式的的 LM317 供應(yīng)。如此一來(lái)，即使輸出電壓為 0V，LLC 轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓仍可大於 0V。此方法可讓 LLC 變壓器在一次側(cè)和二次側(cè)產(chǎn)生必要的偏壓電壓，並可在輸出電壓為 0V 時(shí)避免使用獨(dú)立的偏壓電源。電池組電壓上升至夠高的位準(zhǔn)後，具離散充電幫浦電路的 FET 會(huì)繞過(guò)恆流電路。
圖 7 搭載涓流充電電路的 LLC，可安全恢復(fù)深度放電的電池。來(lái)源：德州儀器LLC 廣泛運(yùn)作範(fàn)圍
雖然由於 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的本質(zhì)，使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)廣泛操作範(fàn)圍可能看起來(lái)很困難，但仍有多種策略可以讓這個(gè)目標(biāo)更容易實(shí)現(xiàn)。此處列出的五個(gè)簡(jiǎn)單秘訣和技巧皆適用於類(lèi)比控制，無(wú)需使用更複雜的數(shù)位控制系統(tǒng)。