LLC諧振半橋DC-DC電路設(shè)計(jì)

楊 磊，吳曉光，羊 彥

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

LLC諧振變換器理論上可實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通（ZVS）[1]，且關(guān)斷電流較小，次級(jí)整流管可實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)斷（ZCS）的特點(diǎn)，它既吸取串聯(lián)諧振變換器諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化、輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，又兼具并聯(lián)諧振變換器在空載下也能穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)?，?duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 半橋變壓器設(shè)計(jì)

圖1為諧振半橋原理圖。

2 諧振參數(shù)確定

大功率LED的驅(qū)動(dòng)電源要求恒流輸出，而LED燈芯工藝的差別導(dǎo)致導(dǎo)通壓降不同，因而驅(qū)動(dòng)電源要求具有寬的輸出電壓范圍。此時(shí)在選擇LLC諧振電路的工作區(qū)時(shí)有2種方式，方式一是將電路工作區(qū)放在LLC諧振的工作區(qū)I，方式二是將電路工作區(qū)放在LLC諧振[2]的工作區(qū)I和工作區(qū)II。前者的電路工作的諧振點(diǎn)處于輸出電壓最低點(diǎn)而輸入電壓最高時(shí)，這就要求諧振網(wǎng)絡(luò)的增益函數(shù)陡峭，k值和Q值被迫選擇較小的值以確保增益，諧振變換器效率因此下降，但這種方式下電路的工作頻率范圍較小。方式二的電路諧振點(diǎn)放在輸出電壓的中間值上，這樣諧振網(wǎng)絡(luò)的增益函數(shù)相對(duì)前者平緩，k值和Q值可以選取的較大，但是工作頻率范圍卻變得很大，如圖2所示。

圖1 LLC諧振半橋原理圖Fig.1 LLC resonant half-bridge principle diagram

圖2 LLC諧振半橋工作區(qū)選擇示意圖Fig.2 LLC resonant half bridge work area chose schematic

針對(duì)這一問(wèn)題FSFR2100芯片的跳周期功能提供了一個(gè)較好的解決辦法。首先選擇上述第二種工作模式，然后使用FSFR2100芯片的頻率限制功能來(lái)限制工作頻率范圍，這樣當(dāng)要求的輸出電壓低時(shí)而反饋達(dá)不到要求，芯片此時(shí)進(jìn)入跳周期工作模式，從而在滿足輸出電壓大范圍變化的條件下使諧振網(wǎng)絡(luò)的增益函數(shù)相對(duì)平緩，工作頻率范圍可控。為保留有一定余量，利用峰值增益Mpk的的1.2倍選取k和Q值，在峰值增益曲線[3]上根據(jù)1.2Mpk=1.54，如圖3所示，選取一組k值和Q值，k=6，Q=0.3。其具體選擇效果如圖3所示。

3 控制電路設(shè)計(jì)

圖3 LLC諧振網(wǎng)絡(luò)峰值增益曲線Fig.3 LLC resonant network peak gain curve

Fairchild公司FSFR系列是一種高度集成的電源開(kāi)關(guān)，專為高效率半橋諧振變換器設(shè)計(jì)。FSFR系列控制芯片內(nèi)部集成了MOSFET和快速恢復(fù)體二極管，具有高邊柵極驅(qū)動(dòng)電路，精確的電流壓控振蕩器，頻率限制電路，軟啟動(dòng)和內(nèi)置保護(hù)功能。其中高邊柵極驅(qū)動(dòng)電路有共模噪聲消除能力，具有卓越的抗干擾能力，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。MOSFET的快速恢復(fù)體二極管提高了異常操作條件下的可靠性，同時(shí)減少了反向恢復(fù)的影響。

FSFR2100是FSFR系列中面向高功率應(yīng)用的產(chǎn)品，控制芯片在無(wú)需散熱器的條件下可以實(shí)現(xiàn)200 W的輸出功率。其主要特點(diǎn)有：固定50%占空比的變頻控制[4]，固定死區(qū)時(shí)間為350 ns，內(nèi)部快恢復(fù)體二極管恢復(fù)時(shí)間120 ns，最高可達(dá)300 kHz的工作頻率，輕載條件下可進(jìn)入跳周期工作模式，具有多重保護(hù)功能。芯片的內(nèi)部原理框圖如圖4所示。

圖4 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Chip internal structure

引腳VDL上側(cè)MOSFET的漏極，通常連接到輸入的直流高壓；引腳CON啟用/禁用和保護(hù)，當(dāng)此引腳電壓高于0.6 V時(shí)，IC工作啟動(dòng)，下降到低于0.4 V時(shí)，上下兩個(gè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，當(dāng)這一引腳電壓高于5 V時(shí)，觸發(fā)保護(hù)；引腳RT控制開(kāi)關(guān)頻率，通常連接到光耦構(gòu)成反饋回路；引腳CS采樣下側(cè)MOSFET的導(dǎo)通電流，通常為負(fù)壓檢測(cè)；引腳SG控制信號(hào)地；引腳PG功率地，與下側(cè)MOSFET的源極連接；引腳LVcc控制芯片的電源；引腳HVcc上側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路電源；引腳VCTR低邊MOSFET的漏極，通常與變壓器連接。

4 芯片供電電路

整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源的芯片自供電路如圖5所示，IN表示整流橋后的正電壓。當(dāng)電路上電時(shí)IN電壓升高，電壓經(jīng)電阻 R39，R40，R41將 MOSFET Q5 的柵極電壓抬高，Q5 導(dǎo)通，IN直接由R46，Q5，D8給電源電容C26充電，電源電壓VCC逐步建立，從而PFC芯片和FSFR2100芯片開(kāi)始工作，整個(gè)電路工作起來(lái)。電路工作起來(lái)后，變壓器供電繞組得到一個(gè)輸出電壓，經(jīng)過(guò)Q4，R45和ZD4的穩(wěn)壓電路后得到電源電壓VCC，同時(shí)通過(guò)R36，ZD3導(dǎo)通Q6，拉低Q5柵極電壓，Q5關(guān)斷。其具體電路如圖5所示。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電源的芯片供電電路Fig.5 LED driver chip power supply circuit

5 過(guò)流檢測(cè)電路

FSFR2100芯片以負(fù)電壓形式檢測(cè)低端MOSFET的漏極電流[5]，檢測(cè)電流的方式有2種，其中半波檢測(cè)方式檢測(cè)電阻產(chǎn)生功耗低，全波檢測(cè)方式的檢測(cè)信號(hào)具有較低開(kāi)關(guān)噪聲但功耗大。設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源電路使用的是半波檢測(cè)電路如圖6所示，為了濾除檢測(cè)信號(hào)[6]中的開(kāi)關(guān)噪聲，檢測(cè)端采用了RC低通濾波器，低通濾波器的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)該為開(kāi)關(guān)周期的 1/100～1/20。

圖6 過(guò)流檢測(cè)電路Fig.6 Overcurrent detection circuit

6 結(jié)束語(yǔ)

文中主要介紹了LED驅(qū)動(dòng)電源后級(jí)DC-DC恒流[7]部分的設(shè)計(jì)方法，電路采用Fairchild公司FSFR2100的設(shè)計(jì)方案，文中在對(duì)FSFR2100工作原理分析的基礎(chǔ)上，給出了主要電路設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于恒流工作條件下LLC諧振半橋變壓器[8]的設(shè)計(jì)方法做了詳細(xì)討論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。

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