LLC谐振转换器之分析

LLC谐振转换器中的输出电压调节

对于采用零电压开关的谐振转换器，在设计谐振电路时必须确保电流波形始终滞后于电压波形。这种情况在负载为电感型时发生，并且频率高于谐振频率。在增益特性方面，电压增益随频率下降。控制电路可通过改变输入方波的频率来调节输出电压，这会改变系统增益，从而产生调节过的输出电压。

最理想的情况是，增益特性与负载条件无关，而且增益和频率范围都应该很易于调节。可惜的是，这些特性都极难实现。以标准谐振转换器为例，串联谐振转换器的负载范围很窄，因为增益特性随负载变化很大；而并联谐振转换器的输入电压范围很窄，轻载下效率也很低。LLC转换器则可以避免这些问题。

标准谐振转换器中有两个组件决定谐振频率：电感 (L) 和电容 (C)。LLC转换器是串联谐振转换器，有一个额外的电感 (L) 与其它两个组件串联，故名为L-L-C转换器。图1所示的谐振电路即是一个LLC转换器电路。在该电路中，Cr 为谐振电容。两个电感值分别为集成式变压器的励磁电感(Lm) 和总漏电感 (Llkp 加 Llks)。在某些情况下，第二个电感值可以由一个外部独立电感来实现，这种通常用于更高的功率级。

相比其他谐振转换器，LLC 转换器在变化负载条件下具有良好的调节性能。它要求线路输入电压控制良好，故一般需要PFC 前端高性能工作。业界对它的了解远不及双管正激拓扑。它的频率范围比双管正激拓扑宽，但比其它谐振转换器要窄得多。

图2显示了一个LLC转换器的增益特性。在增益与频率的关系图中，给出了不同负载条件下的增益曲线。LLC 转换器有两个谐振频率。如箭头所指，较低的谐振频率在60kHz左右；较高的则为100kHz。所有曲线，不论负载如何，都相交于第二个谐振频率处。

对于这种设计，谐振频率下的增益为1.2。因此如果输出电压设定为12V、匝数比为40:1，那么这将出现在400V输入电压下。不论负载如何，忽略损耗情况，频率将保持不变。

为了便于说明，我们假设输入电压上升到480V，这时控制电路必需把增益降低到1.0，才能保持12V的输出电压。在这种情况下，频率将在满载下的115kHz和 20% 负载条件下的130kHz之间变化，从图中可看出，正是对应的负载条件下的增益曲线与增益＝1.0这条线相交处的频率。

这显示出当偏离设计的输入工作电压时， 频率便会发生一些变化，轻负载下开关损耗就会增加。总而言之，LLC转换器在恒定输入电压下工作性能最好，比如由 PFC 级提供电压。通过设计，它们可适用于某个地区的电压输入范围，比如195VAC – 265VAC。

图2：LLC谐振转换器增益曲线示例

对于更高的功率级，它通常都带有功率因数校正 (PFC) 前端级。LLC转换器的设计使得几乎在所有工作条件下PFC级都产生恒定输出电压，在此电压下，频率不随负载改变而变化。对于缺失输入半波的情况下，就需要一些额外的增益，这就是所谓的“保持” (hold-up) 时间要求。

采用FSFR2100的电路实例

图3所示为采用FSFR2100实现的LLC谐振转换器，输入由PFC级提供。它采用26mm x 10.5mm x 3.2mm的超小型封装，集成了600V高压控制IC和2个600V MOSFET。这种谐振转换器的效率相当高，无需散热器即可处理高达200W的功率，从而使设计更为紧凑。而标准拓扑必需散热器才能处理200W电源。

图3：采用FSFR2100的典型LLC谐振转换器电路

组件Rdamp、Dboot 和 CHVcc构成内部驱动高端MOSFET所需的自举式 (bootstrap) 电路，可以利用一个电阻 (Rsense) 和滤波电路 (RLPF 与 CLPF) 来感测电流，以检测正常和非正常过流情况。正常过流保护电路有1.5 us的延时，而非正常过流保护电路延时为50ns。非正常过流保护电路可迅速检测出严重的故障，例如输出二极管短路。过流保护容忍激活之前输出端的暂时过载，时间由CON引脚上的定时电容CB (带1.5us的固定延时，以消除噪声) 决定。

CON引脚还可控制LLC控制器的开和关。FSFR2100带有突发模式，该模式会先有一连串的谐振活动发生，然后就有一段无开关期，这样可以提高轻载条件下的效率。CON控制用于进一步提升带有辅助电源电路的待机性能。如果没有辅助电源，器件便由一个辅助线圈供电。当LVcc电压过大时，过压保护电路会关断器件。在器件由辅助线圈供电的应用中，它可用作输出过压保护电路。

图中显示的LLC谐振电路如前所述。在这个例子中，输出整流模块使用了D1 和 D2这2个输出二