LLC變換器通訊電源的設計與應用

王 維，尹 斌

（河海大學 能源電氣學院, 江蘇 南京 211100）

諧振變換器具有很多優點：開關頻率高應力小、關斷損耗小、EMI噪聲小、重量輕、體積小、效率高。LLC諧振電源易實現原邊開關管ZVS，次級二極管ZCS，輸入電壓范圍寬等優點，因而得到廣泛的關注。文中介紹了LLC諧振變換器的工作原理和工作特性，并介紹了電流脈寬型控制芯片UC3846以及其外圍控制電路設計，并將其控制電路運用于LLC諧振電源中。

1 UC3846芯片介紹及原理

UC3846是電流脈寬型調制芯片，其內部結構如圖1，電流模式控制的特點是電感電流隨著輸入電壓與輸出電壓的比值變化而變化，所以UC3846具有帶載響應特性強的優點，線電壓調節率得到極大改善，補償電路更簡單優化。該調制芯片具有自動前饋補償、推挽輸出結構下自動對稱校正、大電流圖騰柱式輸出、并聯運行下模塊系統、外部關斷、可編程控制逐個脈沖抑制以及死區時間調節等功能，并且內置了軟啟動電路和欠電壓鎖定電路，工作頻率高500 kHz[1]。

腳1為限流調整端；腳2為基準電壓輸出端，基準電壓為5.1V；腳3為電流檢測放大器的反相輸入端；腳4為電流檢測放大器的同相輸入端；腳5和腳6為誤差放大器的同反相輸入端；腳7為誤差放大器輸出，可與6腳組成電壓調節器，其外圍電路通常接成PID電路；腳8為振蕩器的外接電容端；腳9為振蕩器的外接電阻端；腳10為同步端；腳11和腳14為PWM脈沖的A、B輸出端，兩路為互補輸出端；腳12為地；腳13為集電極電源端；腳15為控制電源輸入端；腳16為外部關斷信號輸入端[2]。

2 UC3846外圍電路及分析

圖1 UC3846內部結構圖Fig. 1 The internal structure of the UC3846

圖2 UC3846的外圍電路Fig. 2 Peripheral circuits of the UC3846

高功率的開關電源的輸出濾波電容一般比較大，如無軟啟動，剛剛開機時就會產生很大的充電電流，不僅會導致過流保護電路的誤操作，還會使功率開關管過流損害，甚至開關管爆炸，為了避免由此引起的誤操作，所以外圍電路必須具有軟啟動功能，如圖2，C1、R3和R4構成了開機軟啟動電路。當開關電源開機時，1腳的電壓低于0.5 V，11腳和14腳無脈寬輸出，R3和R4分壓為1腳提供了給定電壓，隨著C1的電壓升高，輸出脈寬逐漸變寬，實現了軟啟動功能。IF為電流反饋信號，改變4腳的電壓變化率可以改變11腳和14腳的輸出脈寬，而4腳的電壓變化率通過對C11的不斷充放電來實現。IF通過R16和R17給電容C11提供充電電壓。C8、R10構成斜坡補償，增加UC3846工作時的穩定性。UF為電壓反饋信號，6腳和7腳短接組成電壓跟隨器，增加電路的準確性和穩定性，電路中VCC通過R8、R9給電壓比較器LM339的同向端一個給定信號，R6、R2、C3、C4構成PI調節器，用于補償閉環增益和進行頻率響應調節。

3 LLC諧振變換器工作原理

圖3 LLC不對稱半橋變換器主電路Fig. 3 Main circuit of LLC asymmetrical half-bridge inverter

LLC諧振電源易實現零電壓開通，零電流關斷，輸入電壓范圍寬等優點，很受關注。圖3為LLC諧振半橋電源原理圖。主電路中，Vin為輸入電壓，可由交流電壓整流獲得，S1和S2為主開關管，其驅動信號是由占空比固定為0.5的互補驅動信號，諧振電感Lr，諧振電容Cr，勵磁電感Lm組成了一個LLC諧振網絡，該諧振網絡連接在半橋的中點和地之間，因此諧振電容也起到隔直的作用，防止由直流引起的變壓器偏磁[3-6]。

4 主要元件參數計算

輸出功率：P0=240 W；最大輸入電壓：Vin_max=380 V ；最小輸入電壓：Vin_max=280 V ；額定輸入電壓：Vin_max=360 V ；輸出電壓電流：Vo= 48 V，Io= 5 A ；輸出二極管電壓壓降：Vof= 0.7 V ；諧振頻率：Fr= 80 kHz 。

1）計算理論變壓器匝數比N：

選擇實際變比：N= 4

2）計算最高、最低輸入電壓增益Mmin、Mmax：

3）選取k計算Q：

4）計算工作頻率：

輸入電壓最小且滿載時，工作頻率最小：

輸入電壓最大且滿載時，工作頻率為：

輸入電壓最大且空載時，工作頻率最大：

5）計算Lm、Lr、Cr：

根據以上的計算，主開關管采用2SK2765型MOSFET，次級整流二極管選用SF164型超快恢復二極管，諧振網絡參數為：Lr= 0.107 mH，Cr= 3 MF，Lm= 0.428 mH。

5 設計實例

按照以上分析和參數計算設計了一臺240 W的半橋諧振型電源樣機，設定輸出電壓為48 V，額定輸出電流5 A。圖4和圖5是在空載和加負載的情況下變壓器原邊電壓及原邊電流的實測波形。測試結果表明，電壓調整率和原邊電流均達到設計的理想目標，即達到了設計目的。

圖4 空載時變壓器原邊電壓與原邊電流Fig. 4 Primary voltage and primary current of transformer when no-load

圖5 加負載5A時變壓器原邊電壓與原邊電流Fig. 5 Primary voltage and primary current of transformer plus load 5A

6 結束語

文中通過分析LLC半橋諧振電路的原理，設置了勵磁電感、諧振電感電容的參數。采用UC3846設計了諧振電源的控制外圍電路，很好地完成了電壓和電流檢測的功能。最終在240 W的樣機上進行測試，證明了該方法的有效性與實用性。

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