近年來(lái)，日益增長(cháng)的電源需求已直接使得用數字控制實(shí)現AC-DC和DC-DC電源轉換成為最新趨勢。數字控制具備了設計靈活性、高性能和高可靠性。為了實(shí)現更高效的電源，人們正在考慮使用不同的拓撲結構實(shí)現DC-DC轉換。本文將討論電感、電感、電容(LLC)諧振轉換器的數字控制、諧振轉換器的優(yōu)勢以及數字控制的整體優(yōu)勢。
數字控制解決對電源的需求
由于許多電源在大部分時(shí)間內工作負載遠低于最大負載或是工作效率最高時(shí)的負載，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計劃要求115V電源在20%、50%和100%的額定負載下至少達到80%的效率。在這些工作點(diǎn)實(shí)現更高效率可獲得銅級、銀級、黃金級或白金級的評級。對于230V電源，最低的銅級標準要求效率在20%負載下達到81%，在50%負載下達到85%以及在100%負載下達到81%。
美國能源部已通過(guò)ENERGY STAR數據中心能效計劃將其對更高效產(chǎn)品的迫切要求擴展到數據中心。該計劃旨在解決信息技術(shù)(IT)設備以及不間斷電源(UPS)中起支持作用的基礎架構等設施的所有高能耗方面的需求。
許多采購規范要求所購產(chǎn)品必須符合這些標準或通過(guò)其他公認的節能標準認證，這就強制供應商必須達到這些級別的要求，否則就會(huì )失去市場(chǎng)。因此，實(shí)現更高的效率迫在眉睫。單單降低運營(yíng)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)的應用(例如電信)正越來(lái)越多地實(shí)現更低功耗的電源，以控制供電和冷卻設備的運營(yíng)成本。
為了實(shí)現最高效率，許多設計人員正在轉向數字控制，這也提供了設計靈活性、高性能和高可靠性。利用低引腳數的數字信號控制器(DSC)(例如，MicrochipTechnology公司的dsPIC DSC)，通過(guò)這些器件的數字信號處理(DSP)功能和智能電源外設便可實(shí)現復雜控制。在增加數字控制之前，需要了解諧振轉換器的基本原理。
諧振轉換器的優(yōu)勢
工作在諧振模式(電路的輸入與輸出之間的阻抗最小)下的轉換器可提供更高的效率。利用諧振轉換器，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(guò)零點(diǎn)處開(kāi)關(guān)，可大幅降低MOSFET的功耗。
在漏源電壓接近零時(shí)開(kāi)關(guān)MOSFET(即零電壓開(kāi)關(guān)，ZVS)，以及在通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為零時(shí)將MOSFET狀態(tài)從一個(gè)轉換到另一個(gè)(即零電流開(kāi)關(guān)，ZCS)，可以最大程度地減小MOSFET開(kāi)關(guān)損耗。這種軟開(kāi)關(guān)方法還降低了系統中的噪聲，并提供增強的抗電磁干擾(EMI)性能。ZVS是高壓、高功耗系統的首選。
在諧振開(kāi)關(guān)轉換器中，在開(kāi)關(guān)周?chē)黾与娍乖?電容和電感)以生成正弦電壓或電流。諧振轉換器的三個(gè)主要類(lèi)別為：串聯(lián)諧振轉換器(SRC)、并聯(lián)諧振轉換器(PRC)及兩者的組合——串并聯(lián)諧振轉換器(SPRC)。圖1給出了高級諧振轉換器的結構框圖以及三種類(lèi)型的諧振回路。
圖1：高級諧振轉換器結構具有多種不同形式的諧振回路。
顧名思義，在串聯(lián)諧振轉換器中，負載與諧振的電感和電容串聯(lián)。諧振回路的增益≤1。當SRC空載工作時(shí)，無(wú)法對其輸出電壓進(jìn)行調節。對于ZVS，在感性區域中，電路的工作頻率需要高于諧振頻率。線(xiàn)電壓較低時(shí)，SRC的工作頻率接近于諧振頻率。
在PRC中，負載與諧振電容并聯(lián)。PRC可在空載輸出下工作，與SRC不同的是，可以在空載時(shí)對其輸出電壓進(jìn)行調節。對于ZVS，在感性區域中，PRC的工作頻率也需要高于諧振頻率。與SRC相似，在線(xiàn)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。
在SPRC中，諧振電路是串聯(lián)和并聯(lián)轉換器的組合，可以是LCC或LLC配置。與SRC和PRC相似，SPRC LCC設計無(wú)法在高輸入電壓下進(jìn)行優(yōu)化。因此，許多應用的首選方案是LLC。LLC諧振回路如圖1所示。
LLC轉換器可以在標稱(chēng)輸入電壓下以諧振頻率工作，并且能夠在空載下工作。此外，它還可以設計為在寬輸入電壓范圍內工作。零電壓和零電流開(kāi)關(guān)在整個(gè)工作范圍內均可實(shí)現。
諧振轉換器的性能可以通過(guò)幾個(gè)參數進(jìn)行衡量。諧振電路的品質(zhì)因數(Q)是一個(gè)無(wú)量綱參數，用于描述電路的阻尼量。它定義為電路中存儲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，也稱(chēng)為電壓轉換比或M。通過(guò)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(xiàn)，可以在計算所有參數之前獲得諧振轉換器性能的指標。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，輸出阻抗的函數。
如圖2所示，將Q作為參數的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：根據品質(zhì)因數(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(xiàn)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)內以諧振頻率進(jìn)行開(kāi)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)間內受到磁化電流限制。如果在次級側用MOSFET代替二極管進(jìn)行同步整流，則必須在適當的時(shí)間關(guān)斷柵極。這通常需要電流檢測技術(shù)，例如測量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。在該區域中，同步開(kāi)關(guān)可以和初級側開(kāi)關(guān)同時(shí)導通和關(guān)斷，從而簡(jiǎn)化它們的控制。
由于使用了零電壓開(kāi)關(guān)，LLC諧振電源的一個(gè)固有優(yōu)勢是電磁干擾和無(wú)線(xiàn)電干擾很低。
高效的數字控制拓撲結構
利用目前的數字信號控制器，可以輕松實(shí)現電源轉換的全數字控制和LLC諧振轉換器的系統管理功能。
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(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )、LLC諧振回路、變壓器、整流器、濾波器和負載。圖3給出了LLC諧振轉換器中增加的數字控制。該設計代表了可為電信電路指定的設計。在這些應用中，LLC轉換器被廣泛地用作AC-DC系統中 功率因數校正(PFC)電路后面的DC/DC轉換器。典型的PFC輸出電壓大約為400V，可以直接饋入LLC轉換器。寬輸入范圍允許使用體積較小的大容值電容。表1中概述了設計規范。
圖3：參考設計高級框圖說(shuō)明了如何將數字控制的反饋環(huán)添加到LLC諧振轉換器中。
表1：參考設計規范可滿(mǎn)足許多電信電源的需求。
dsPIC33FJ GS為諧振轉換器提供了數字計算功能。其40MIPS的性能和智能電源外設使其成為這一應用的理想選擇。外設包括高速PWM(16位，周期分辨率為1ns)和可相移的輸出等。
參考設計中的開(kāi)關(guān)電路使用半橋拓撲，因此，半橋電壓在0V與Vd=400Vdc標稱(chēng)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。由于設計使用變壓器的磁化電感，因而無(wú)需使用外部電感，降低了系統成本。該設計也可將變壓器的漏電感用作次級電感，無(wú)需另外添加外部電感，從而節省更多成本。
如果將諧振回路正確調整到開(kāi)關(guān)頻率，諧振回路將對基波頻率呈現有限阻抗，而對所有其他諧波頻率呈現非常高的阻抗�；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(kāi)關(guān)。初級MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)如圖4所示。
圖4：在該參考設計中，由于諧振回路電流與MOSFET電壓存在相移，半橋MOSFET開(kāi)關(guān)沒(méi)有任何導通損耗。
設計次級側時(shí)采用同步整流器代替二極管，以降低次級側的導通損耗。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(kāi)關(guān)波形。
圖5：為消除次級側(同步)整流器的關(guān)斷損耗，在MOSFET電流達到零后增大MOSFET的漏源電壓。圖注與圖4相同，即綠線(xiàn)=MOSFET柵源電壓，紫線(xiàn)=MOSFET漏源電壓，黃線(xiàn)=MOSFET電流
對于同步整流，數字控制執行MOSFET開(kāi)關(guān)無(wú)需在次級側采用電流檢測電路。這使得全波整流器設計的效率提高并且成本降低。圖6給出了負載電流范圍內的效率。額外的好處包括提高了補償器設計的靈活性，因為DSC還實(shí)現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輸入電壓的不敏感性。輸出負載電流低于2A時(shí)，實(shí)現了超過(guò)80%的效率。負載更高時(shí)，最大效率為95%，而且輸出負載電流從7到17A時(shí)效率曲線(xiàn)極其平坦。
由于可以通過(guò)易于重復編程的軟件實(shí)現電源轉換控制，數字解決方案使設計人員可以自由地創(chuàng )新并輕松修改或調整他們的設計。除了能夠增加經(jīng)濟高效、創(chuàng )造價(jià)值的新功能，精確的數字控制還可以提高電源的可靠性。使用參考設計可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間并緩解從設計之初就可能出現的制造問(wèn)題。
本文小結
LLC諧振轉換器的性能優(yōu)勢使得該設計方法成為了中、大功率電信應用提高能效的理想選擇。同時(shí)，增加數字控制也為電子系統提供了設計人員期待的設計靈活性、高性能和高可靠性。為了輕松實(shí)現上述兩點(diǎn)，參考設計提供最簡(jiǎn)單的方法來(lái)評估系統和縮短上市時(shí)間，或者更恰當地說(shuō)，縮短達到更高效率的時(shí)間。
對于那些需要了解LLC電路更多細節的工程師，Microchip Technology的AN1336——《DC/DC LLC Reference Design Using the dsPIC DSC》——提供了深入的介紹。 |
