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1、2008年05月SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION近年来，液晶电视（LCD TV）和等离子电视（PDP TV）市场迅速 增长。这些市场及其它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源（SMPS）： 150W至 600W 的输出功率范围 采用有源或无源 PFCC由所需功率决定） 宽度和空间有限，无散 热风扇，通风条件有限面向竞争激烈的消费电子市场这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰（EMI ）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（LLC）串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优
2、势。这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。通常反激式拓 扑结构最适用于功率不超过7 0W、面板尺寸不超过2 1英寸的应用，双反 激拓扑结构则适合功率介于 120W 至 180W 之间、26 至 32 英寸的应用，而半桥 LLC 则在 120W 至 300W 乃至更高功率范 围下都适用，适合于从中等（26 至 32 英寸）、较大（37 英寸）和大 尺寸（大于4 0英寸）等更宽范围的应用。此外，在 LLC串联谐振转换器拓扑结构中，元器件数量有限，谐振储能 （tank）元件能够集成到单个变压器中，因此只需要1个磁性元件。在所 有正常负载条件下，初级开关都可以工作在零电压开关（ZVS
3、 ）条件。而次级二 极管可以采用零电流开关（ZCS）工作，没有反向恢复损耗。总的来看，半桥LLC串联谐振转换器是适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI性能优异的解决方案。半桥 LLC 转换器中谐振电容和谐振电感的配置LLC 半桥转换器的构造存在着单谐振电容（CS）和分体（split） 谐振电容（CS1和 CS2）等不同方案。如图1所示。对于单谐振电容配置 而言，它的输入电流纹波和均方根（RMS）值较高，而且流经谐振电容的均方根 电流较大。这种方案需要耐高压（6 0 0 至 1,500V）的谐振电容。不 过，这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。与单个谐振电容配置相比，分体谐振电容
4、配置的输入电流纹波和均方根值较 小，谐振电容仅处理一半的均方根电流，且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一 半。当利用钳位二极管（D3和 D4）进行简单、廉价的过载保护时，这种方 案中，谐振电容可以采用450V 较低额定电压工作。顾名思义，半桥 LLC 转换器中包含 2 个电感（励磁电感 Lm 和 串联的谐振电感 Ls）。根据谐振电感位置的不同，谐振回路（resonan t tank）也包括两种不同的配置，一种为分立解决方案，另一种为集成解决 方案。这两种解决方案各有其优缺点，采用这两种方案的LLC 的工作方式也 有轻微差别。对于分立解决方案而言，谐振电感置于变压器外面。这使得设计灵活性也就更
5、高，令设计人员可以灵活设置的 Ls和 Lm 的值；此外，EMI幅射也 更低。不过，这种解决方案的缺点在于变压器初级和次级绕组之间的绝缘变得复杂 和绕组的冷却条件变差，并需要组装更多元件。在另一种集成的解决方案中，变压器的漏电感被用作谐振电感（LLK = L S）。这种解决方案只需1个磁性元件，成本更低，而且会使得开关电源的尺 寸更小。此外，变压半桥 LLC 谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案Design considerations for a Half-Bridge LLC Resonant Converter542008年05月SEMICONDUCTOR COMPONENTS AP
6、PLICATION图2：谐振储能元件的两种不同配置：（a）分立解决方案;（b）集成解决方案器绕组的冷却条件更好，且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过， 这种解决方案的灵活性相对较差（可用的LS 电感范围有限），且其 EMI 幅射更强，而初级和次级绕组之间存在较强的邻近效应。半桥LLC转换器的工作状态根据负载条件的不同，LLC 转换器的频率会出现变化。对于分立谐振回路 解决方案而言，可以定义两个谐振频率，分别是串联谐振频率 Fs和最小谐振 频率 Fmin。其中,LLC转换器的工作频率取决于功率需求。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，控制环路会降低开关频率
7、，使其中一个谐振频率提供 负载所需大小的电流。总的来看，LLC 转换器工作在5种不同的工作状态，分别是：a)在 Fs 和 Fmin 之间；b) 直接谐振在 F s；c) 高于 Fs；d) 在 Fs 和Fmin 之间一过载；e) 低于 Fmin。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 LLK 来自于变压器耦合，且 LLK 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，一旦次级二级管在零电流开关(ZCS)条件下关 闭， LLK 就没有能量。对于半桥 LLC 而言，次级二图1：半桥LLC转换器的两种不同配置：(a)单谐振电容；(b)分体谐 振电容(a)(
8、b)552008年05月SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION极管始终处于关闭状态。谐振电感 Ls和励磁电感 Lm 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种谐振频率：Fs和 Fmin。其中,这种解决方案同样存在5种工作状态，分别是：a) 在 Fs和 Fmi n 之间；b) 直接在谐振 Fs；c) 高于 Fs；d) 在 Fs 和 Fmin 之间一过载；e) 低于 Fmin。半桥LLC转换器建模和增益特性LLC 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 Fs频率附近精度达到最高。等效电路的传递函数为：这其
9、中，Z1和 Z2 与频率有关，由此可知 LLC 转换器的行为特性类似于与频率有关的分频器，负载越高，励磁电感Lm 所受到的由交流电阻Rac产生的钳位作用就越大。这样一来，LLC 储能电路的谐振频率就在 Fs和Fmin之间变化。在使用基波近似时，实际的负载电阻必须修改， 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：，Lm/Ls比为:，串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin分别为:，LLC 转换器所需要的工作区域是增益曲线的右侧区域（其中的负斜率意味 着初级 MOSFET 工作在零电压开关 ZVS 模式下）。当 LLC 转 换器工作在 fs = l （
10、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 EMI的角度来讲，这个工作点最具吸引 力，因为正弦初级电流、MOSFET 和次级二极管都得到优化利用。该工作点 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 Vbulk 电 压时）。增益特性曲线的波形及所需的工作频率范围由如下参数来确定：Lm/Ls比（即 k）、谐振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用 PSpice、Icap4 等任意仿真软件来进行基波近似和 AC 仿真。图3：LLC 转换器的近似等效电路。图4：标准化增益特性（区域 1 和区域 2 为 ZVS 工作区域，区 域24九卜
11、号/WE打皿十匕）3 为 ZCS 工作区域）图5：分立（a）和集成（b）谐振回路解决方案的仿真原理图562008年05月SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION对于 LLC 谐振转换器而言，满载时品质因数 Q 和 Lm/Ls比 k这两个因数的恰当选择是其设计的关键。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稳压范围谐振回路 中循环能量的大小转换器的效率要优化满载时的 Q 和 k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 Q 直接取决于负载，它是由满载条件下的谐振电感 Ls 和谐振电容 CS 确定的。Q 因数越
12、高，就导致工作频率范围 Fop 越 大。Q值较高及给定负载时，特征阻抗就必须较低，因为低Q会导致稳压能 力下降，且Q值很低的情况下LLC增益特性会退化到 SRC。而在 k=Lm/Ls方面，它决定了励磁电感中存储多少能量。k 值越 高，转换器的励磁电流和增益也就越低；且k因数越大，所需的稳压频率范围也就 越大。在实践中，Ls（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，Q因 数的计算由所需的额定工作频率 fs确定。这之后，k因数也必须计算出 来，以确保输出电压稳压（带有线路和负载变化）所需的增益。而在设定 k因 数时，可以
13、让转换器在轻载时无法维持稳压一一可以方便地使用跳周期模式来降低 空载功耗。对于半桥 LLC 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、次级整流设计和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡性、变压器绕组参数的 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 LLC 谐振转换器解决方案 NCP1395/NC P13 9 6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 LLC 谐振转换器解决方案包括 NCP1395 和 NCP1396 控制 器NCP 1 3 9 6 是一款更新的器件，内置驱动器。它
14、们均为为构建可靠及稳 固的谐振模式开关电源提供了所有必需功能，具有极低的待机能耗。它们的关键特 性包括：50kHz 至 1.0MHz 的宽广频率范围(NCP 1 3 9 5 )、 可调节的死区时间(dead time)、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、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性 等。NCP1396 的独特架构包括一个 500kHz 的压控振荡器，由于 在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要，因此为了将转换器安排在正确的工作区 域， NCP1396内置了可调节且精确的最低开关频率，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600V 本体电压
15、半桥式应用的自举 MOSFET 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(Z VS)，并轻松实现跳周期模式来改善待机能耗以及NGP1605TL431OutputMBRF 20104 MBRS4201MCP1G27 3MPS RegiilitofHtQhly mtograXd CurrentRvaorilnE TtChgtay tor Incmwd Etl记如ncy ind Lcwflf EMIUitcontinuaus- CdndutErgn Mode MOfw Crfttul Ccnductkin MmMi for OpUmal而阿咿NCP139fiRBonan Hitf BridgeCantrollsr Drivr空载时的工作效率。图6：采用 NCP 1 3 9 6 A 的安森美半导体 GreenPointTM 220 瓦液晶电视电源参考设计。（下转P61）
