近年來，日益增長的電源需求已直接使得用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換成為最新趨勢(shì)。數(shù)字控制具備了設(shè)計(jì)靈活性、高性能和高可靠性。為了實(shí)現(xiàn)更高效的電源，人們正在考慮使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。本文將討論電感、電感、電容(LLC)諧振轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制、諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)字控制的整體優(yōu)勢(shì)。
數(shù)字控制解決對(duì)電源的需求
由于許多電源在大部分時(shí)間內(nèi)工作負(fù)載遠(yuǎn)低于最大負(fù)載或是工作效率最高時(shí)的負(fù)載，在正常模式和低功耗模式下，經(jīng)常要求提高效率。例如，80 PLUS計(jì)劃要求115V電源在20%、50%和100%的額定負(fù)載下至少達(dá)到80%的效率。在這些工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更高效率可獲得銅級(jí)、銀級(jí)、黃金級(jí)或白金級(jí)的評(píng)級(jí)。對(duì)于230V電源，最低的銅級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求效率在20%負(fù)載下達(dá)到81%，在50%負(fù)載下達(dá)到85%以及在100%負(fù)載下達(dá)到81%。
美國能源部已通過ENERGY STAR數(shù)據(jù)中心能效計(jì)劃將其對(duì)更高效產(chǎn)品的迫切要求擴(kuò)展到數(shù)據(jù)中心。該計(jì)劃旨在解決信息技術(shù)(IT)設(shè)備以及不間斷電源(UPS)中起支持作用的基礎(chǔ)架構(gòu)等設(shè)施的所有高能耗方面的需求。
許多采購規(guī)范要求所購產(chǎn)品必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)或通過其他公認(rèn)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，這就強(qiáng)制供應(yīng)商必須達(dá)到這些級(jí)別的要求，否則就會(huì)失去市場(chǎng)。因此，實(shí)現(xiàn)更高的效率迫在眉睫。單單降低運(yùn)營成本這一點(diǎn)就足以推動(dòng)能效的改進(jìn)。中、大功率范圍(200到1000W)的應(yīng)用(例如電信)正越來越多地實(shí)現(xiàn)更低功耗的電源，以控制供電和冷卻設(shè)備的運(yùn)營成本。
為了實(shí)現(xiàn)最高效率，許多設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，這也提供了設(shè)計(jì)靈活性、高性能和高可靠性。利用低引腳數(shù)的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)(例如，MicrochipTechnology公司的dsPIC DSC)，通過這些器件的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能和智能電源外設(shè)便可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。在增加數(shù)字控制之前，需要了解諧振轉(zhuǎn)換器的基本原理。
諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)
工作在諧振模式(電路的輸入與輸出之間的阻抗最小)下的轉(zhuǎn)換器可提供更高的效率。利用諧振轉(zhuǎn)換器，為MOSFET提供正弦電壓或正弦電流并在接近于正弦電壓或電流的過零點(diǎn)處開關(guān)，可大幅降低MOSFET的功耗。
在漏源電壓接近零時(shí)開關(guān)MOSFET(即零電壓開關(guān)，ZVS)，以及在通過開關(guān)的電流為零時(shí)將MOSFET狀態(tài)從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)(即零電流開關(guān)，ZCS)，可以最大程度地減小MOSFET開關(guān)損耗。這種軟開關(guān)方法還降低了系統(tǒng)中的噪聲，并提供增強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)性能。ZVS是高壓、高功耗系統(tǒng)的首選。
在諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，在開關(guān)周圍增加電抗元件(電容和電感)以生成正弦電壓或電流。諧振轉(zhuǎn)換器的三個(gè)主要類別為：串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(SRC)、并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(PRC)及兩者的組合——串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(SPRC)。圖1給出了高級(jí)諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖以及三種類型的諧振回路。
圖1：高級(jí)諧振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)具有多種不同形式的諧振回路。
顧名思義，在串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器中，負(fù)載與諧振的電感和電容串聯(lián)。諧振回路的增益≤1。當(dāng)SRC空載工作時(shí)，無法對(duì)其輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于ZVS，在感性區(qū)域中，電路的工作頻率需要高于諧振頻率。線電壓較低時(shí)，SRC的工作頻率接近于諧振頻率。
在PRC中，負(fù)載與諧振電容并聯(lián)。PRC可在空載輸出下工作，與SRC不同的是，可以在空載時(shí)對(duì)其輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于ZVS，在感性區(qū)域中，PRC的工作頻率也需要高于諧振頻率。與SRC相似，在線電壓較低時(shí)，PRC的工作頻率接近于諧振頻率，但是，PRC的不同之處在于其具有較大環(huán)流。串聯(lián)電感和并聯(lián)電容提供了固有的短路保護(hù)。
在SPRC中，諧振電路是串聯(lián)和并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的組合，可以是LCC或LLC配置。與SRC和PRC相似，SPRC LCC設(shè)計(jì)無法在高輸入電壓下進(jìn)行優(yōu)化。因此，許多應(yīng)用的首選方案是LLC。LLC諧振回路如圖1所示。
LLC轉(zhuǎn)換器可以在標(biāo)稱輸入電壓下以諧振頻率工作，并且能夠在空載下工作。此外，它還可以設(shè)計(jì)為在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。零電壓和零電流開關(guān)在整個(gè)工作范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)。
諧振轉(zhuǎn)換器的性能可以通過幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行衡量。諧振電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)是一個(gè)無量綱參數(shù)，用于描述電路的阻尼量。它定義為電路中存儲(chǔ)功率與耗散功率的比值。Q值越高表示諧振回路的帶寬越窄。
品質(zhì)是諧振電路增益的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，也稱為電壓轉(zhuǎn)換比或M。通過考慮在λ、歸一化頻率或Q值變化時(shí)生成的一系列M曲線，可以在計(jì)算所有參數(shù)之前獲得諧振轉(zhuǎn)換器性能的指標(biāo)。M的定義如下：
M(fsw)=f(fn,λ,Q)
其中，fn=歸一化頻率，f/fr；λ=電感比，Lr/Lm；Q=品質(zhì)因數(shù)，輸出阻抗的函數(shù)。
如圖2所示，將Q作為參數(shù)的LLC電路實(shí)際上具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)由串聯(lián)電感Lr和電容Cr決定(Q為0.5)，另一個(gè)由并聯(lián)電感Lm決定。Lr和Cr在fn=1(fr)時(shí)具有諧振頻率，Lm+Lr和Cr在fn約等于0.5時(shí)具有諧振頻率。
圖2：根據(jù)品質(zhì)因數(shù)(Q)，可以從諧振回路獲得不同的增益。Y軸為諧振回路增益(M)。所有Q曲線在諧振頻率(fn=1)處相交。
LLC的不同工作模式包括：在諧振頻率處、低于諧振頻率和高于諧振頻率。在諧振頻率處工作時(shí)，MOSFET在非常窄的時(shí)序窗口(由所選元件決定)內(nèi)以諧振頻率進(jìn)行開關(guān)。此時(shí)產(chǎn)生的損耗非常低。
低于諧振頻率工作時(shí)，電路特性與在諧振頻率工作時(shí)相似，但是回路電流在周期的一段時(shí)間內(nèi)受到磁化電流限制。如果在次級(jí)側(cè)用MOSFET代替二極管進(jìn)行同步整流，則必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間關(guān)斷柵極。這通常需要電流檢測(cè)技術(shù)，例如測(cè)量MOSFET兩端的壓降。
高于諧振頻率工作時(shí)，回路電流大于磁化電流，不再受磁化電流限制。在該區(qū)域中，同步開關(guān)可以和初級(jí)側(cè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，從而簡(jiǎn)化它們的控制。
由于使用了零電壓開關(guān)，LLC諧振電源的一個(gè)固有優(yōu)勢(shì)是電磁干擾和無線電干擾很低。
高效的數(shù)字控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
利用目前的數(shù)字信號(hào)控制器，可以輕松實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的全數(shù)字控制和LLC諧振轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)管理功能。
實(shí)際的LLC電路器件和各部分，除圖1所示外還包括直流輸入、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振回路、變壓器、整流器、濾波器和負(fù)載。圖3給出了LLC諧振轉(zhuǎn)換器中增加的數(shù)字控制。該設(shè)計(jì)代表了可為電信電路指定的設(shè)計(jì)。在這些應(yīng)用中，LLC轉(zhuǎn)換器被廣泛地用作AC-DC系統(tǒng)中 功率因數(shù)校正(PFC)電路后面的DC/DC轉(zhuǎn)換器。典型的PFC輸出電壓大約為400V，可以直接饋入LLC轉(zhuǎn)換器。寬輸入范圍允許使用體積較小的大容值電容。表1中概述了設(shè)計(jì)規(guī)范。
圖3：參考設(shè)計(jì)高級(jí)框圖說明了如何將數(shù)字控制的反饋環(huán)添加到LLC諧振轉(zhuǎn)換器中。
表1：參考設(shè)計(jì)規(guī)范可滿足許多電信電源的需求。
dsPIC33FJ GS為諧振轉(zhuǎn)換器提供了數(shù)字計(jì)算功能。其40MIPS的性能和智能電源外設(shè)使其成為這一應(yīng)用的理想選擇。外設(shè)包括高速PWM(16位，周期分辨率為1ns)和可相移的輸出等。
參考設(shè)計(jì)中的開關(guān)電路使用半橋拓?fù)�，因此，半橋電壓�?V與Vd=400Vdc標(biāo)稱值之間擺動(dòng)。諧振回路由電容、電感和隔離變壓器的磁化電感組成。由于設(shè)計(jì)使用變壓器的磁化電感，因而無需使用外部電感，降低了系統(tǒng)成本。該設(shè)計(jì)也可將變壓器的漏電感用作次級(jí)電感，無需另外添加外部電感，從而節(jié)省更多成本。
如果將諧振回路正確調(diào)整到開關(guān)頻率，諧振回路將對(duì)基波頻率呈現(xiàn)有限阻抗，而對(duì)所有其他諧波頻率呈現(xiàn)非常高的阻抗�；芈返淖杩箷�(huì)使電壓與電流之間發(fā)生相移，從而允許進(jìn)行零電壓開關(guān)。初級(jí)MOSFET的零電壓開關(guān)如圖4所示。
圖4：在該參考設(shè)計(jì)中，由于諧振回路電流與MOSFET電壓存在相移，半橋MOSFET開關(guān)沒有任何導(dǎo)通損耗。
設(shè)計(jì)次級(jí)側(cè)時(shí)采用同步整流器代替二極管，以降低次級(jí)側(cè)的導(dǎo)通損耗。這可以減小正向電阻(Rf)和二極管正向電壓產(chǎn)生的損耗。圖5給出了同步整流器的開關(guān)波形。
圖5：為消除次級(jí)側(cè)(同步)整流器的關(guān)斷損耗，在MOSFET電流達(dá)到零后增大MOSFET的漏源電壓。圖注與圖4相同，即綠線=MOSFET柵源電壓，紫線=MOSFET漏源電壓，黃線=MOSFET電流
對(duì)于同步整流，數(shù)字控制執(zhí)行MOSFET開關(guān)無需在次級(jí)側(cè)采用電流檢測(cè)電路。這使得全波整流器設(shè)計(jì)的效率提高并且成本降低。圖6給出了負(fù)載電流范圍內(nèi)的效率。額外的好處包括提高了補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的靈活性，因?yàn)镈SC還實(shí)現(xiàn)了占空比控制的軟啟動(dòng)。
圖6：LLC在兩個(gè)不同工作電壓輸入下的效率顯示了其對(duì)輸入電壓的不敏感性。輸出負(fù)載電流低于2A時(shí)，實(shí)現(xiàn)了超過80%的效率。負(fù)載更高時(shí)，最大效率為95%，而且輸出負(fù)載電流從7到17A時(shí)效率曲線極其平坦。
由于可以通過易于重復(fù)編程的軟件實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換控制，數(shù)字解決方案使設(shè)計(jì)人員可以自由地創(chuàng)新并輕松修改或調(diào)整他們的設(shè)計(jì)。除了能夠增加經(jīng)濟(jì)高效、創(chuàng)造價(jià)值的新功能，精確的數(shù)字控制還可以提高電源的可靠性。使用參考設(shè)計(jì)可以縮短開發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間并緩解從設(shè)計(jì)之初就可能出現(xiàn)的制造問題。
本文小結(jié)
LLC諧振轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢(shì)使得該設(shè)計(jì)方法成為了中、大功率電信應(yīng)用提高能效的理想選擇。同時(shí)，增加數(shù)字控制也為電子系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)人員期待的設(shè)計(jì)靈活性、高性能和高可靠性。為了輕松實(shí)現(xiàn)上述兩點(diǎn)，參考設(shè)計(jì)提供最簡(jiǎn)單的方法來評(píng)估系統(tǒng)和縮短上市時(shí)間，或者更恰當(dāng)?shù)卣f，縮短達(dá)到更高效率的時(shí)間。
對(duì)于那些需要了解LLC電路更多細(xì)節(jié)的工程師，Microchip Technology的AN1336——《DC/DC LLC Reference Design Using the dsPIC DSC》——提供了深入的介紹。 |
