【導讀】液晶電視和等離子電視的開關電源設計采用有源或者無源的PFC模式，能夠長時間在無散熱通風的環(huán)境下工作。這就要求開關電源要具備高功率密度、平滑的電磁干擾信號和少量的元器件。半橋LLC諧振轉換器的優(yōu)勢就凸顯了出來。
半橋LLC轉換器建模和增益特性
LLC轉換器可以通過一階基波近似來描述。但只是近似，精度有限。而在Fs頻率附近精度達到最高。
等效電路的傳遞函數(shù)為：
這其中，Z1和Z2與頻率有關，由此可知LLC轉換器的行為特性類似于與頻率有關的分頻器，負載越高，勵磁電感Lm所受到的交流電阻Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來，LLC儲能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化。在使用基波近似時，實際的負載電阻必須修改，因為實際的諧振回路是由方波電壓驅(qū)動的。
相應地，轉換器的品質(zhì)因數(shù)為：
串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為
圖1：標準化增益特性
LLC轉換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側區(qū)域(其中的負斜率意味著初級MOSFET工作在零電壓開關ZVS模式下)。當LLC轉換器工作在fs=1(對于分立諧振回路解決方案而言)的狀態(tài)下時，它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講，這個工作點最具吸引力，因為正弦初級電流、MOSFET和次級二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點只能在特定的工作電壓和負載條件下達到(通常是在滿載和額定Vbulk電壓時)。
增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定：Lm/Ls比(即k)、諧振回路的特征阻抗、負載值和變壓器的匝數(shù)比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真軟件來進行基波近似和AC仿真。
對于LLC諧振轉換器而言，滿載時品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls的恰當選擇是其設計的關鍵。這方面的選擇將影響到如下轉換器特性：
1、輸出電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍
2、線路和負載穩(wěn)壓范圍
3、諧振回路中循環(huán)能量的大小
4、轉換器的效率
在設計當中，如果想要優(yōu)化在滿載狀態(tài)時的Q和K，就要確定如下幾個因素：效率、線路、負載穩(wěn)壓范圍。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負載，它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的。Q因數(shù)越高，就導致工作頻率范圍Fop越大。Q值較高及給定負載時，特征阻抗就必須較低，因為低Q會導致穩(wěn)壓能力下降，且Q值很低的情況下LLC增益特性會退化到SRC。
而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵磁電感中存儲多少能量。k值越高，轉換器的勵磁電流和增益也就越低;且k因數(shù)越大，所需的穩(wěn)壓頻率范圍也就越大。
在實踐中，Ls(如集成變壓器解決方案的漏電感)只能在有限的范圍內(nèi)取值，而且是由變壓器的構造(針對所需的功率等級)和匝數(shù)比決定。然后，Q因數(shù)的計算由所需的額定工作頻率fs確定。這之后，k因數(shù)也必須計算出來，以確保輸出電壓穩(wěn)壓(帶有線路和負載變化)所需的增益。而在設定k因數(shù)時，可以讓轉換器在輕載時無法維持穩(wěn)壓——可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。
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半橋LLC諧振電容和諧振電感的配置
單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉換器當中。如圖1所示。對于單諧振電容配置而言，它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大。這種方案需要耐高壓(600~1,500V)的諧振電容。不過，這種方案也存在尺寸小、布線簡單等優(yōu)點。
圖2：半橋LLC轉換器的兩種不同配置
分體諧振電容相較于單個諧振電容而言，其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流，且所用電容的電容量僅為單諧振電容的一半。當利用鉗位二極管(D3和D4)進行簡單、廉價的過載保護時，這種方案中，諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。
顧名思義，半橋LLC轉換器中包含2個電感(勵磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls)。根據(jù)諧振電感位置的不同，諧振回路也包括兩種不同的配置，一種為分立解決方案，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。
將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設計者提高設計的靈活性，令設計人員可以靈活設置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不過，這種解決方案的缺點在于，變壓器初級和次級繞組間的絕緣變得復雜，并且繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。
圖3：諧振儲能元件的兩種不同配置
在另一種集成的解決方案中，變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS)。這種解決方案只需1個磁性元件，而且會使得開關電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級和次級繞組之間可以方便地實現(xiàn)絕緣。不過，這種解決方案的靈活性相對較差(可用的LS電感范圍有限)，且其EMI幅射更強，而初級和次級繞組之間存在較強的鄰近效應。
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