電(diàn)路设计LLC谐振转换器设计和PCB布局

2020-11-16

電(diàn)路设计中DC-DC转换器可(kě)能(néng)很(hěn)难设计，甚至可(kě)能(néng)很(hěn)危险，尤其是当我们考虑使用(yòng)具有(yǒu)高電(diàn)流输出的开关转换器时。在各种类型的开关转换器及其拓扑中，这些转换器是高功率系统（如LED電(diàn)池组，设备，台式机和服務(wù)器電(diàn)源以及许多(duō)其他(tā)功率转换系统）的关键部分(fēn)。

一旦您了解了实现反馈环路的控制算法和方法，LLC谐振转换器的设计就会显示出其价值。您可(kě)以实现与降压-升压转换器相同的控制算法，以适应具有(yǒu)下垂或过大纹波的電(diàn)源。当您准备為(wèi)这些系统创建PCB布局时，应牢记一些安全性，热量管理(lǐ)和噪声抑制方面的知识。

LLC谐振转换器设计

LLC谐振转换器是一种开关转换器，它通过為(wèi)开关信号选择适当的频率来控制输出電(diàn)压。将其与标准开关转换器（例如，降压或升压拓扑）进行对比，该转换器通过开关信号的占空比来控制输出。这些系统在包括交流電(diàn)源输入的系统中享有(yǒu)许多(duō)高功率应用(yòng)。

下面的框图显示了LLC谐振转换器的各个部分(fēn)。转换器的输入级通常由整流器，功率调节级（PFC電(diàn)路）和平滑電(diàn)容器组组成。如果要处理(lǐ)交流電(diàn)源，则可(kě)以在此处放置一个EMI滤波器。请注意，LLC谐振转换器设计并非严格要求PFC级，但与其他(tā)任何开关稳压器一样，它可(kě)以保持较高的功率转换效率。

全桥与半桥切换

LLC谐振转换器设计中的开关元件有(yǒu)两种可(kě)能(néng)的配置。在全桥开关電(diàn)路中，我们有(yǒu)4个MOSFET，而半桥开关電(diàn)路有(yǒu)2个MOSFET。当提供交流電(diàn)源时，这些元件以与桥式整流器中的二极管在正向和反向偏置之间切换相同的方式接通和断开。在这里，全桥通常会占用(yòng)更多(duō)空间并产生更多(duō)噪声。我更喜欢半桥开关電(diàn)路，因為(wèi)可(kě)以将频率控制所需的電(diàn)容器直接放置在半桥電(diàn)路（C1和C2）中。

图2. LLC谐振转换器设计的开关電(diàn)路。

输出整流

输出端的整流可(kě)以多(duō)种方式应用(yòng)。此处的目标是控制電(diàn)流方向，以使输出始终為(wèi)直流電(diàn)。当桥接部分(fēn)切换时，输出侧的電(diàn)容器将消除任何波纹。在更简单的LLC转换器中，输出整流由二极管提供，而電(diàn)流较高的LLC谐振转换器设计可(kě)使用(yòng)MOSFET在输出侧提供整流。

控制输出

就像在交流電(diàn)路中一样，通过选择合适的变压器匝数比来设置输出。然而，通过调节发送到开关電(diàn)路的驱动信号的频率来控制在变压器的初级侧看到的電(diàn)压的大小(xiǎo)。该驱动信号是占空比约為(wèi)50％的脉冲频率调制（PFM）信号。

LC谐振回路電(diàn)路将具有(yǒu)一定的增益，因為(wèi)電(diàn)路中的唯一電(diàn)阻是MOSFET的通态電(diàn)阻和变压器/電(diàn)感器線(xiàn)圈的绕组電(diàn)阻。典型增益值為(wèi)1至1.5。随着输出功率的下降，驱动器需要调整PFM信号频率并使系统更接近谐振。这样，可(kě)以通过在变压器的初级侧仅利用(yòng)足够的增益来增加输出功率。

图3. LLC谐振转换器设计中的反馈控制。

这种控制方法非常简单，可(kě)以通过反馈回路，電(diàn)流或電(diàn)压感应電(diàn)路以及MCU来实现，如图3所示。还有(yǒu)一些特定组件可(kě)以提供这种感应功能(néng)并提供驱动所需的脉冲信号。桥接電(diàn)路。完成電(diàn)路设计并选择了所有(yǒu)必需的组件后，您需要考虑如何将所有(yǒu)这些都带入PCB布局。

PCB布局中的元件放置

由于LLC谐振转换器设计通常用(yòng)于中等高压系统，因此有(yǒu)一些基本的设计技巧可(kě)循：

输出变压器：放置最终变压器时，请遵循隔离直流電(diàn)源的最佳做法。变压器会将高压侧与输出端隔离开来，但要当心；操作员仍可(kě)能(néng)会受到反馈回路的高压影响。

MOSFET整流器：对于大電(diàn)流输出系统，您可(kě)能(néng)最终在输出侧使用(yòng)MOSFET来提供大電(diàn)流整流。甚至可(kě)以在输出侧并联使用(yòng)一组MOSFET，以提供大電(diàn)流而不会造成击穿风险。 

间隙：如果您在高压下运行，请利用(yòng)PCB设计工具中的间隙设计规则。您将要确保您的電(diàn)路板不违反导體(tǐ)之间的電(diàn)气间隙高的安全标准。

与大多(duō)数高功率系统一样，该布局很(hěn)可(kě)能(néng)需要将散热器，风扇或同时安装在特定组件上。对于可(kě)能(néng)工作在500 W或更高功率的LED板之类的东西，最好的选择是使用(yòng)金属芯PCB，因為(wèi)金属芯将提供自然散热。关键焊盘上的散热孔也可(kě)以通过将热量倾泻到平面层中来提供帮助。