ZHCT954 July 2025 LM317
電感器-電感器-電容器 (LLC) 諧振轉(zhuǎn)換器具有幾個(gè)極具吸引力的特性，適用于需要隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，這些特性包括極小的開關(guān)損耗、在低于諧振頻率時(shí)不會(huì)進(jìn)行反向恢復(fù)，以及承受變壓器內(nèi)較大漏電感的能力。
挑戰(zhàn)
在設(shè)計(jì)具有寬工作范圍的 LLC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，一個(gè)主要挑在于增益曲線相對(duì)于等效負(fù)載電阻的行為。這是因?yàn)殡S著品質(zhì)因數(shù) (Qe) 的增加，可達(dá)到的最大增益會(huì)降低，與此相反，可達(dá)到的最小增益會(huì)隨著 Qe 的降低而增加。下面的圖 1 展示了這種情況。
圖 1 LLC 增益曲線表明，隨著 Qe 的增加，可達(dá)到的最大增益會(huì)減小。來源：德州儀器 (TI)這種行為使得很難在功率級(jí)和合理的開關(guān)頻率范圍內(nèi)保持合理的均方根 (RMS) 電流。需要降低電感比 (Ln) 以減小所需的頻率范圍；但是，較低的電感比會(huì)增加功率級(jí)中的磁化電流。本文將闡述設(shè)計(jì)具有寬工作電壓范圍的 LLC 轉(zhuǎn)換器的五個(gè)技巧。
使用可重新配置的整流器
擴(kuò)展 LLC 轉(zhuǎn)換器工作范圍的一種潛在方法是實(shí)現(xiàn)可重新配置的整流器，如圖 2 所示。
圖 2 展示了具有可重新配置整流器的 LLC 轉(zhuǎn)換器，該整流器可重新配置為全橋或倍壓器。來源：德州儀器 (TI)在此結(jié)構(gòu)中，您可以使用比較器來查看輸出電壓并決定運(yùn)行模式，從而將整流器配置為全橋或倍壓整流器。作為全橋整流器運(yùn)行時(shí)，可使用公式 3 計(jì)算輸入到輸出傳遞函數(shù)。
在用作倍壓整流器時(shí)，輸入到輸出傳遞函數(shù)為：
圖 3 顯示了 LLC 的開關(guān)頻率與輸出電壓間的關(guān)系，使用上述方法從 450V 固定輸入實(shí)現(xiàn) 140V 至 420V 的輸出電壓范圍。該數(shù)據(jù)是通過輸出端的 800mA 負(fù)載收集而來。請(qǐng)注意在 200V 處的跳變，此時(shí)比較器從全橋切換到倍壓器模式。
圖 3 LED 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)中的開關(guān)頻率與輸出電壓間的關(guān)系。來源：德州儀器 (TI)盡可能減小繞組和整流器電容
如果工作點(diǎn)降至最小增益曲線以下，LLC 控制器會(huì)被強(qiáng)制在突發(fā)模式下運(yùn)行，以確保輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。突發(fā)模式會(huì)導(dǎo)致較高的低頻輸出紋波電壓。對(duì)于需要在輕負(fù)載和最小輸出電壓條件下具有極低輸出紋波的應(yīng)用，這會(huì)造成一個(gè)問題。
在這種情況下，必須盡可能減小變壓器內(nèi)的繞組電容，以及整流器的輸出電容 (Coss) 或結(jié)電容 (Cj)。在高于諧振頻率的條件下運(yùn)行時(shí)，這些寄生電容將導(dǎo)致增益曲線反轉(zhuǎn)。圖 4 顯示了輕負(fù)載時(shí) LLC 增益曲線的傳統(tǒng)一次諧波近似 (FHA) 計(jì)算方法，以及考慮到功率級(jí)中所用整流器的繞組電容和 Coss 時(shí)相同的 LLC 增益曲線。
圖 4 輕負(fù)載條件下，寄生電容對(duì) LLC 增益曲線的影響。來源：德州儀器 (TI)特別注意變壓器內(nèi)的繞組層疊并選擇整流器元件，可更大限度地減少這種增益曲線反轉(zhuǎn)效應(yīng)。使用 SIC 二極管或 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 等寬帶隙器件作為整流器，可使 Coss 大幅低于 Si MOSFET 或二極管。
使用具有高頻跳躍模式的 LLC 控制器
與正常開關(guān)可實(shí)現(xiàn)的增益相比，高頻跳躍模式可以實(shí)現(xiàn)更低的增益。以下是一個(gè) 100W 半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的示例，其輸入范圍為 70V 至 450V。在圖 5 中，諧振電流顯示為綠色，初級(jí)側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)顯示為藍(lán)色。
在右側(cè)，LLC 轉(zhuǎn)換器在高頻跳躍模式下運(yùn)行，每四個(gè)開關(guān)周期就省略一次。開關(guān)頻率為 260kHz，但它以 77kHz 突發(fā)頻率進(jìn)行分調(diào)制。
圖 5 70V 和 450V 輸入下的 100W LLC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)行為，諧振電流顯示為綠色，初級(jí)側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)顯示為藍(lán)色。來源：德州儀器 (TI)管理輔助偏置電壓
通過在 LLC 變壓器上包含輔助繞組，可以為電源的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)生成必要的偏置電壓。對(duì)于具有可變輸出電壓的 LLC 轉(zhuǎn)換器，輔助繞組電壓將隨著輸出電壓一起變化。對(duì)于使用剖切線軸的 LLC 變壓器，如果輔助繞組與次級(jí)繞組的耦合不良，情況尤其如此。當(dāng)使用簡(jiǎn)單的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)偏置電壓時(shí)，效率會(huì)隨著輸出電壓的增加而下降。可能需要更大的物理封裝來處理功率耗散。
在圖 6 中，Naux1 和 Naux2 的大小是為了確保通過 D1、Q1 和 D4 提供最低輸出電壓或 VCC 偏置電壓。隨著輸出電壓的增加，C2 上的電壓限制為齊納 D3 的擊穿電壓減去 Q1 的柵源閾值電壓。隨著輸出電壓進(jìn)一步升高，Naux2 生成的電壓變得足夠高，足以為 VCC 供電，并且隨著柵源電壓降至關(guān)斷閾值以下，Q1 被強(qiáng)制關(guān)斷。
圖 6 使用輔助繞組與 LDO 結(jié)構(gòu)，為電源的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)生成必要的偏置電壓。來源：德州儀器 (TI)這種方法比單個(gè)繞組加上 LDO 更高效，但需要兩個(gè)輔助繞組。另一種只需要一個(gè)輔助繞組的方法是使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器，而不是使用 LDO。
管理深度放電電池的微電流充電
用作電池充電器的 LLC 轉(zhuǎn)換器必須通過施加較小的充電電流來安全地恢復(fù)深度放電的電池，直到電池組電壓高到足以安全地獲取全部充電電流。LLC 無法在較小的輸出電流下將輸出電壓調(diào)節(jié)至 0V，因此難以滿足這一要求。
可以通過加入一個(gè)帶有并聯(lián)旁路 FET 的小型恒流電路來管理，如圖 7 所示。在微電流充電模式下，旁路 FET 關(guān)閉，輸出電流由 LM317（配置為調(diào)節(jié)輸出電流）提供。這樣可以確保，即使輸出電壓為 0V，LLC 轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓也能大于 0V。這種方法允許 LLC 變壓器在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)產(chǎn)生必要的偏置電壓，并避免在輸出電壓為 0V 時(shí)需要單獨(dú)的輔助電源。一旦電池包電壓上升到足夠高的電平，具有分立式電荷泵電路的 FET 就會(huì)繞過恒流電路。
圖 7 具有微電流充電電路的 LLC 可安全地恢復(fù)深度放電的電池。來源：德州儀器 (TI)寬 LLC 工作電壓范圍
雖然由于 LLC 拓?fù)涞男再|(zhì)，使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)寬工作電壓范圍可能看起來很困難，但可以通過實(shí)施幾種策略來更輕松地獲得寬工作電壓范圍。此處列出的五條簡(jiǎn)單建議和技巧適用于模擬控制，不需要更復(fù)雜的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)。