LLC的工作原理（第 II 部分）：LLC变换器设计考量
品慧电子讯LLC 变换器的设计涉及众多的设计决策与关键参数，而且很多因素相互关联。任何一个设计选择都可能影响系统中的许多其他参数。LLC 谐振腔的设计是其中最大的挑战，因为它决定了变换器响应负载、频率和电压变化的能力。因此，设计人员必须正确定义变换器负载和频率的工作范围，因为这些值会影响谐振腔的值与参数来。
本系列的两篇文章将讨论 LLC变换器设计的关键考量因素。 第I部分 探讨了各种电源开关拓扑和 LLC 谐振腔的特性。本文为第II部分，将介绍 LLC 变换器设计中的重要参数，包括增益、负载、频率和电感。
LLC变换器增益
影响LLC 变换器增益的两个模块是谐振腔和变压器。谐振腔增益是可变的，具体取决于负载 (Q)、归一化频率 (fN)和归一化电感 (LN)。变换器的增益响应 (MG为Q, LN和fN的函数，通过公式 (1) 来计算：
变压器增益则由变压器原边线圈的匝数与副边线圈的匝数之比定义。该比率由变压器的物理结构定义，所以一旦变换器开始工作，就不能轻易改变。
图 1 显示了 LLC 变换器的增益路径。
图 1：LLC 变换器的增益路径
图 2 显示了带变压器的 LLC 谐振腔原理图。
图 2：带变压器的 LLC 谐振腔原理图
变换器的总增益 (VOUT / VIN) 为两个增益的乘积，可通过公式 (2) 来估算：
其中 n 为变压器的匝数比，MG则为 LLC 谐振腔增益。
理想情况下，谐振腔不会放大或衰减信号，而是滤除谐波。这意味着谐振腔的标称增益应为 1，并且变压器应是改变输出电压电平的唯一阶段。
但实际上，LLC 变换器常用于 AC/DC变换器。AC/DC 变换器通常由一个 AC/DC + PFC 转换级和一个 LLC DC/DC 变换器组成，用于将电压降到所需的水平（参见图 3）。
图3: AC/DC变换器功能模块
AC/DC + PFC 级将 AC 输入电压 (VIN) （例如来自 AC 电源的功率）转换为稳定的 DC 电压，同时还保持输入电流与 VIN 同相。PFC 级对确保设计符合国际标准（包括 ISO、UNSCC、IEEE 和 CISPR）规定的各项功率因数规范十分必要。AC/DC + PFC 级的输出电压 (VOUT) 在理想情况下是稳定的，但由于组件的非理想化， AC/DC 输出端往往会出现电压纹波，这通常是寄生电感和电容ESR导致的，这种电压纹波也会出现在 LLC 变换器的输入端。
由于变换器的 VIN 和变压器固定增益带来的变数，LLC 谐振腔需要补偿 VIN 带来的变化以获得恒定的 VOUT。因此，如果 VIN 低于标称值，谐振腔可稍稍放大信号以产生最大谐振腔增益；如果 VIN 超过标称值，则最小谐振增益可确保变压器原边绕组处的电压稳定在标称值，以保持稳定的 VOUT。
标称谐振增益 (MG_NOM) 可以使用公式 (3) 来计算 (MG_NOM)：
最大谐振增益 (MG_MAX) 可以使用公式 (4) 来计算：
最小谐振增益 (MG_MIN) 可以使用公式 (5) 来计算：
图 4 显示了 LLC 变换器的增益响应以及所需的最大、最小和标称谐振腔增益值。
图 4：LLC 变换器增益响应
LLC变换器负载
如 第I部分所述，负载通过品质因数 (Q) 来表示，它影响谐振腔的最大增益以及峰值增益频率。谐振腔的峰值增益随负载的增加而降低。因此，即使在最坏的情况下(即负载最大时)，满足最大增益要求也是非常重要的。
图 5 显示了 LLC 变换器对一系列负载的频率响应。
图 5：LLC 变换器频率响应
LLC变换器开关频率
负载对增益的影响是无法控制的，但可以通过改变 MOSFET 的开关频率 (fSW) 来保持电路增益。如图 5 所示，尽管负载会影响变换器的最大增益，但增加负载也会将频率 (fMG_MAX) 拉至更高水平，并产生最大增益。
图 6 显示了 LLC 谐振腔中一系列不同负载的最大增益点，以虚线绘制。这条线将增益响应分为两个不同的区域。在感性区域（右侧），发生零电压切换，并且增益随着频率的降低而增加，直至达到峰值增益频率。然后变换器进入容性区域（峰值增益频率的左侧），在该区域降低频率也会降低增益。感性区域允许通过频率变化进行稳定的增益控制。
图 6：频率响应的容性区域和感性区域
一般不建议进入容性区域，因为当低边MOSFET (LS-FET) (S2) 晶体管的体二极管处于反向恢复状态时，高边MOSFET (HS-FET) （S1） 可能导通（参见图7）。这会造成潜在的半桥直通条件，从而导致 S2发生故障，或者，至少会降低变换器的效率。
图 7：电源开关中的直通电流
不同的负载产生不同的频率响应和最大增益频率。要确定最小fSW，需要考虑最坏情况，即从最小负载转换至最大负载时（参见图 8）。当负载较小时，变换器工作在感性区域，但如果负载突然增加，工作点将进入容性区域。因此，应增加最小频率 (fMIN) 以确保所有负载的工作点都保持在感性区域。
图 8：负载转移对工作区域的影响
因此，要建立稳定的频率范围， fMIN 必须等于过载情况下变换器的最大增益频率 (fOVERLOAD)（参见图 9）。
图 9：开关频率的稳定、不稳定和工作窗口期范围
一旦得到变换器的最小频率，就可以建立一个工作 fSW 范围。变换器的最大频率(fMAX) 受控制器和 MOSFET 最大频率的限制。但工作窗口期不需要很大，它可以通过最大和最小增益频率来定义，只要处于稳定频率范围即可。
LLC 谐振腔电感
归一化 LN 定义了峰值增益斜率，该斜率标志着感性区域和容性区域之间的界限，如图 10 所示。 在相同负载条件下，谐振腔的峰值增益取决于归一化 LN。
图 10：具有不同归一化电感的 LLC 变换器的最大增益曲线
较小的 LN 可为更广范围的负载和操作提供高增益。另一方面，较小的 LN 也会带来较高的磁化电流，并使效率降低。
要选择适当的归一化 LN值，设计人员需要考虑负载最大时的最坏情况。LN 的选择必须能够提供足够的增益来补偿 VIN的任何缺陷，即使在过载条件下也是如此。
结语
LLC 变换器的设计是一个漫长而复杂的过程，需要根据特定的应用要求考虑多种因素。由于大量的参数以及这些参数之间的关系，设计过程通常跨越多次迭代与计算，可能导致设计时间过长。而MPS 提供 LLC设计工具 以及以及可配置的LLC 控制器 MPF32010等工具，可以显著加速开发过程。
来源：MPS
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