半桥LLC谐振电路知识详解-半桥LLC谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案.pdf
转换器的工作频率取决于功※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,控制环路会降低廾关频牽,使其中一个谐振频 率提供负载所需大小的电流。总的来看,转换器工作在种不同的工作状 态,分别是:在和之间;直接谐振在 高于;在和 之间过载;低于。 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 米自于变压器耦合,且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,一旦次级二级管在岺电流开关条件下关闭,就没有能量。对 于半桥而言,次级二极管始终处于关闭状态。谐振电感和励磁电感不 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和谐振频率:和。其中, 这种解决方案同样存在种工作状态,分别是:在和之间;直接在谐 振;高于;在和之间过载;低于。 半桥转换器建模和增益特性 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。而在频率 附近精度达到最高。 ac Fund n Raci transformer 图 传换器的近似等效电路。 等效电路的传递函数为 这其中,和与频率有关,由此可知转换器的行为特性类似于与频率有关 的分频器,负载越高,劢磁电感所受到的由交流电阻产生的钳位作用就越 大。这样一来,储能电路的谐振频率就在和之间变化。在使用基波近 似时,实际的负载电阳必须修改,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: 比为:= 串联谐振频率和最小谐振频卒分别为: + 0=200轻 18 Lm/Ls=6 区域2 口了了 区坛1 =1 B ZES 区城3 4 =005-太负螺 2 1.斗 1.8 20 图:标准化增益特性区域和区域为工作区域,区域为工作区域 转换器所需要的作区域是增益曲线的右侧区域其中的负斜率意味着初级 工作在零电压廾关模式下。当转换器工作在对于分立谐 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 的角度来讲,这个工作点最具吸引力,因为正弦初级电流、 和次级 二极管都得到优化利用。该L作点只能在特定的工作电压和负载条件下达到通常 是在满载和额定电压时。 增益特性曲线的波形及所需的⊥作频率范围由如下参数来俑定: 比即、谐 振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用 等仟意 仿真软件来进行基波近似和仿真。 TX1 TX1 OL 33nF 100uH 10u Chm 330F 10uOhm sRac V1 二Ra <1.9450hm 1V 9450hm La=3 cousin E LR- 100H n gouging O9129 图:分立和集成谐振回路解决方案的仿真原理图。 对于谐振转换器而言,满载吋品质因数和比这两个因数的恰当选 择是其设讣的关键。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 线路和负载稔压范围 谐振囯路中循环能量的大小 转换器的效率 要优化满载吋的和因数,效率、线路和负载稳压范围通常是最重要的依据。 品质因数直接取决于负载,它是由满载条件下的谐振电感和谐振电容确 定的。因数越高,就导致工作频率范围越大。值较高及给定负载时,特布 阻抗就必须较低,因为低会导致稳压能力下降,且值很低的情况下增益 特性会退化到 而在 方面,它决定了励磁电感中存储多少能量。值越高,转换器的励磁 电流和增益也就越低;且因数越大,所需的稳压频窣范围也就越大。 在实践中,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,因数的计算由所需 的额定工作频率确定。这之后,因数也必须计算出来,以确休输出电压稳压 带有线路和负载变化所需的增益。而在设定因数时,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、次级整流设计和输岀电容参数的确定、谐振电感的平衡 性、变压器绕组参薮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谐振转换器解决方案 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 谐振转换器解决方案包括 和 控制器 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 冇必需功能,具冇极低的待机能耗。它们的关键特性包括: 至 的 宽广频率范闱( )、可调节的死区时间 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、可调节的障定时器间隔和 跳周期可能性等。 的独特架构包括一个 的压控振荡器,由于在谐振电路结构屮避 丌谐振尖峰相当重要,因此为了将转换器安排在正确的工作区域, 内置 了可调节且精确的最低廾关频率,通过专有高电压技术支持,这款控制器应用在能 够接受高达本体电压半桥式应用的自举 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,并轻松实现跳周期模式来改善待机能耗 以及空载吋的工作效率 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, 的各种殂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, 提供有两神型号选择:和。两种型 号的不同表现在 启动阀值不同, 分别是 和 相应 地 和 分别为 和 在释出快速故障输入时 不会激活软启动功能,而 则会在快速故障输入释岀时通过软启动序列恢复工作。 从设计上来看, 推荐用」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阳,而 史适合于工业医疗 应用,这些应用中的辅助电源能够直接为芯片供电。 Resonant Technology for Increased Efficiency and L。 wer EN Fter MBRS4201 NCP1605 MERF20100 MBRS4201 NCP1396 30V1, Resonant Half Bridge 24V/6A Controller 12y3 Discontinuous Conduction Mode andlor Critical Conduction Mode for Optimal Topology MBRS340 LL431 Bias Qutput 到目 5Y/25A NCP1027 SMPS Highly Integrated Current Mode Green point L431 SMPS Regulator 图:采用 的安森美半导体 瓦液品电视电源参考设计。 总结 输出功率在 至 之间的液晶电视和等离子电视等应用要求开关电源具 有较高的功夲密度和平滑的电伭干扰信号,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·些考虑因素,如初级电流和诺振电容的参数确 定、次缴整流设讣和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡性、变压器绕纠参数 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 谐振转换器解决方案 和 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。