近年來,，液晶電視(LCD TV)和等離子電視(PDP TV)市場迅速增長,。這些市場及其它一些市場需要具有如下功能特色的開關(guān)電源(SMPS)：

　　1. 150~600W的輸出功率范圍。

　　2. 采用有源或無源PFC(由所需功率決定),。

　　3. 寬度和空間有限,，無散熱風(fēng)扇，通風(fēng)條件有限,。

　　4. 面向競爭激烈的消費(fèi)電子市場,。

　　這就要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾(EMI)信號，而且解決方案元器件數(shù)量少,、性價比高,。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，但雙電感加單電容(LLC)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器在滿足這些應(yīng)用要求方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢,。

　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合中大尺寸液晶電視輸出負(fù)載范圍下工作,。通常反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適用于功率不超過70W、面板尺寸不超過21英寸的應(yīng)用,，雙反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則適合功率介于120~180W之間,、26~32英寸的應(yīng)用，而半橋LLC則在120~300W乃至更高功率范圍下都適用,，適合于從中等(26~32英寸)、較大(37英寸)和大尺寸(大于40英寸)等更寬范圍的應(yīng)用,。

　　此外,，在LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，元器件數(shù)量有限,，諧振儲能(tank)元件能夠集成到單個變壓器中,，因此只需要1個磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下,，初級開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)條件,。而次級二極管可以采用零電流開關(guān)(ZCS)工作，沒有反向恢復(fù)損耗,?？偟膩砜?，半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器是適用于中、高輸出電壓轉(zhuǎn)換器的高性價比,、高能效和EMI性能優(yōu)異的解決方案,。

　　半橋LLC轉(zhuǎn)換器中諧振電容和諧振電感的配置

　　LLC半橋轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造存在著單諧振電容(CS)和分體(split)諧振電容(CS1和CS2)等不同方案。如圖1所示,。對于單諧振電容配置而言,，它的輸入電流紋波和均方根(RMS)值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根電流較大,。這種方案需要耐高壓(600~1,500V)的諧振電容,。不過，這種方案也存在尺寸小,、布線簡單等優(yōu)點(diǎn),。

　　圖1：半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩種不同配置：(a)單諧振電容；(b)分體諧振電容,。

　　與單個諧振電容配置相比,，分體諧振電容配置的輸入電流紋波和均方根值較小，諧振電容僅處理一半的均方根電流,，且所用電容的電容量僅為單諧振電容的一半,。當(dāng)利用鉗位二極管(D3和D4)進(jìn)行簡單、廉價的過載保護(hù)時,，這種方案中,，諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。

　　顧名思義,，半橋LLC轉(zhuǎn)換器中包含2個電感(勵磁電感Lm和串聯(lián)的諧振電感Ls),。根據(jù)諧振電感位置的不同，諧振回路(resonant tank)也包括兩種不同的配置,，一種為分立解決方案,，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn),，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別,。

　　對于分立解決方案而言，諧振電感置于變壓器外面,。這使得設(shè)計靈活性也就更高,，令設(shè)計人員可以靈活設(shè)置的Ls和Lm的值；此外,，EMI幅射也更低,。不過，這種解決方案的缺點(diǎn)在于變壓器初級和次級繞組之間的絕緣變得復(fù)雜和繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件,。

　　圖2：諧振儲能元件的兩種不同配置：(a)分立解決方案,；(b)集成解決方案。

　　在另一種集成的解決方案中,，變壓器的漏電感被用作諧振電感(LLK=LS),。這種解決方案只需1個磁性元件，成本更低,，而且會使得開關(guān)電源的尺寸更小,。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好,，且初級和次級繞組之間可以方便地實現(xiàn)絕緣,。不過，這種解決方案的靈活性相對較差(可用的LS電感范圍有限),，且其EMI幅射更強(qiáng),，而初級和次級繞組之間存在較強(qiáng)的鄰近效應(yīng)。

　　半橋LLC轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)

　　根據(jù)負(fù)載條件的不同,，LLC轉(zhuǎn)換器的頻率會出現(xiàn)變化,。對于分立諧振回路解決方案而言，可以定義兩個諧振頻率,，分別是串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin,。其中，

　　LLC轉(zhuǎn)換器的工作頻率取決于功率需求,。功率需求較低時,，工作頻率相當(dāng)高，超出諧振點(diǎn),。相反,，功率需求較高時，控制環(huán)路會降低開關(guān)頻率,，使其中一個諧振頻率提供負(fù)載所需大小的電流,。總的來看,，LLC轉(zhuǎn)換器工作在5種不同的工作狀態(tài),，分別是：1. 在Fs和Fmin之間；2. 直接諧振在Fs,；3. 高于Fs；4. 在Fs和Fmin之間-過載,；5. 低于Fmin,。

　　與分立儲能電路解決方案相比，集成儲能電路解決方案的行為特性不同，如漏電感LLK來自于變壓器耦合,，且LLK僅在變壓器初級和次級之間存在能量轉(zhuǎn)換時參與諧振,；此外，一旦次級二級管在零電流開關(guān)(ZCS)條件下關(guān)閉,，LLK就沒有能量,。對于半橋LLC而言，次級二極管始終處于關(guān)閉狀態(tài),。諧振電感Ls和勵磁電感Lm不會象分立諧振回路解決方案那樣一起參與諧振,。

　　集成儲能電路解決方案也能夠定義兩種諧振頻率：Fs和Fmin。其中,，

　　這種解決方案同樣存在5種工作狀態(tài),，分別是：1. 在Fs和Fmin之間；2. 直接在諧振Fs,；3. 高于Fs4. 在Fs和Fmin之間-過載,；5. 低于Fmin。

　　半橋LLC轉(zhuǎn)換器建模和增益特性

　　LLC轉(zhuǎn)換器可以通過一階基波近似來描述,。但只是近似,，精度有限。而在Fs頻率附近精度達(dá)到最高,。

　　等效電路的傳遞函數(shù)為：

　　這其中,，Z1和Z2與頻率有關(guān)，由此可知LLC轉(zhuǎn)換器的行為特性類似于與頻率有關(guān)的分頻器,，負(fù)載越高,，勵磁電感Lm所受到的由交流電阻Rac產(chǎn)生的鉗位作用就越大。這樣一來,，LLC儲能電路的諧振頻率就在Fs和Fmin之間變化,。在使用基波近似時，實際的負(fù)載電阻必須修改,，因為實際的諧振回路是由方波電壓驅(qū)動的,。

　　相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)為：

　　串聯(lián)諧振頻率Fs和最小諧振頻率Fmin分別為：

　　圖3：LLC轉(zhuǎn)換器的近似等效電路,。

　　圖4：標(biāo)準(zhǔn)化增益特性(區(qū)域1和區(qū)域2為ZVS工作區(qū)域,，區(qū)域3為ZCS工作區(qū)域)。

　　LLC轉(zhuǎn)換器所需要的工作區(qū)域是增益曲線的右側(cè)區(qū)域(其中的負(fù)斜率意味著初級MOSFET工作在零電壓開關(guān)ZVS模式下),。當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在fs=1(對于分立諧振回路解決方案而言)的狀態(tài)下時,，它的增益由變壓器的匝數(shù)比來給定。從效率和EMI的角度來講,，這個工作點(diǎn)最具吸引力,，因為正弦初級電流、MOSFET和次級二極管都得到優(yōu)化利用。該工作點(diǎn)只能在特定的工作電壓和負(fù)載條件下達(dá)到(通常是在滿載和額定Vbulk電壓時),。

　　增益特性曲線的波形及所需的工作頻率范圍由如下參數(shù)來確定：Lm/Ls比(即k),、諧振回路的特征阻抗、負(fù)載值和變壓器的匝數(shù)比,?？梢允褂肞Spice、Icap4等任意仿真軟件來進(jìn)行基波近似和AC仿真,。

　　圖5：分立(a)和集成(b)諧振回路解決方案的仿真原理圖,。

　　對于LLC諧振轉(zhuǎn)換器而言，滿載時品質(zhì)因數(shù)Q和Lm/Ls比k這兩個因數(shù)的恰當(dāng)選擇是其設(shè)計的關(guān)鍵,。這方面的選擇將影響到如下轉(zhuǎn)換器特性：

　　1. 輸出電壓穩(wěn)壓所需的工作頻率范圍,；

　　2. 線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍；

　　3. 諧振回路中循環(huán)能量的大??；

　　4. 轉(zhuǎn)換器的效率。

　　要優(yōu)化滿載時的Q和k因數(shù),，效率,、線路和負(fù)載穩(wěn)壓范圍通常是最重要的依據(jù)。品質(zhì)因數(shù)Q直接取決于負(fù)載,，它是由滿載條件下的諧振電感Ls和諧振電容CS確定的,。Q因數(shù)越高，就導(dǎo)致工作頻率范圍Fop越大,。Q值較高及給定負(fù)載時,，特征阻抗就必須較低，因為低Q會導(dǎo)致穩(wěn)壓能力下降,，且Q值很低的情況下LLC增益特性會退化到SRC,。

　　而在k=Lm/Ls方面，它決定了勵磁電感中存儲多少能量,。k值越高,，轉(zhuǎn)換器的勵磁電流和增益也就越低；且k因數(shù)越大,，所需的穩(wěn)壓頻率范圍也就越大,。

　　在實踐中，Ls(如集成變壓器解決方案的漏電感)只能在有限的范圍內(nèi)取值,，而且是由變壓器的構(gòu)造(針對所需的功率等級)和匝數(shù)比決定,。然后，Q因數(shù)的計算由所需的額定工作頻率fs確定,。這之后,，k因數(shù)也必須計算出來,，以確保輸出電壓穩(wěn)壓(帶有線路和負(fù)載變化)所需的增益,。而在設(shè)定k因數(shù)時,，可以讓轉(zhuǎn)換器在輕載時無法維持穩(wěn)壓——可以方便地使用跳周期模式來降低空載功耗。

　　對于半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計而言,，還涉及到其它的一些重要因素,，如初級電流和諧振電容的參數(shù)確定、次級整流設(shè)計和輸出電容參數(shù)的確定,、諧振電感的平衡性,、變壓器繞組參數(shù)的確定和變壓器的制作等。這些進(jìn)一步的設(shè)計信息可以聯(lián)系安森美半導(dǎo)體獲得,。

　　安森美半導(dǎo)體的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案NCP1395/NCP1396

　　作為全球領(lǐng)先的高能效電源半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商,，安森美半導(dǎo)體提供的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款更新的器件,，內(nèi)置驅(qū)動器,。它們均為為構(gòu)建可靠及穩(wěn)固的諧振模式開關(guān)電源提供了所有必需功能，具有極低的待機(jī)能耗,。它們的關(guān)鍵特性包括：50kHz至1.0MHz的寬廣頻率范圍（NCP1395）,、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間(dead time)、可調(diào)節(jié)的軟啟動,、可調(diào)節(jié)的最小和最大頻率漂移,、低啟動電流、欠壓檢測,、可調(diào)節(jié)的故障定時器間隔和跳周期可能性等,。

　　NCP1396的獨(dú)特架構(gòu)包括一個500kHz的壓控振蕩器，由于在諧振電路結(jié)構(gòu)中避開諧振尖峰相當(dāng)重要,，因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū)域,，NCP1396內(nèi)置了可調(diào)節(jié)且精確的最低開關(guān)頻率，通過專有高電壓技術(shù)支持,，這款控制器應(yīng)用在能夠接受高達(dá)600V本體電壓半橋式應(yīng)用的自舉MOSFET驅(qū)動電路上,。此外，可調(diào)整的死區(qū)時間可以幫助解決上方與下方晶體管相互傳導(dǎo)的問題,，同時確保一次端開關(guān)在所有負(fù)載情況下的零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS),，并輕松實現(xiàn)跳周期模式來改善待機(jī)能耗以及空載時的工作效率。

　　NCP1396/5具備多重保護(hù)功能,，提供更好的電路保護(hù),，帶來更安全的轉(zhuǎn)換器設(shè)計而不增加電路的復(fù)雜度，NCP1396/5的各種強(qiáng)化保護(hù)功能包括有反饋環(huán)路失效偵測,、快速與低速事件輸入,，以及可以避免在低輸入電壓下工作的電源電壓過低偵測等,。

　　面向各種多樣化的電源應(yīng)用設(shè)計，NCP1396提供有兩種型號選擇：A和B,。兩種型號的不同表現(xiàn)在：

　　1. 啟動閥值不同,，NCP1396A和NCP1396B分別是VCC=13.3V和VCC=10.5V(相應(yīng)地NCP1395A和NCP1395B分別為VCC=12.8V和VCC=10V)；

　　2. 在釋出快速故障輸入時NCP1396A/NCP1395A不會激活軟啟動功能,，而NCP1396B/NCP1395B則會在快速故障輸入釋出時通過軟啟動序列恢復(fù)工作,。

　　從設(shè)計上來看，NCP1396A/NCP1395A推薦用于大功率消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計,，在這些設(shè)計中設(shè)計人員能夠使用外部啟動電阻,，而NCP1396B/NCP1395B更適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用，這些應(yīng)用中的12V輔助電源能夠直接為芯片供電,。

　　圖6：采用NCP1396A的安森美半導(dǎo)體GreenPoint 220瓦液晶電視電源參考設(shè)計,。

　　本文小結(jié)

　　輸出功率在150~600W之間的液晶電視和等離子電視等應(yīng)用要求開關(guān)電源具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾(EMI)信號，而且解決方案元器件數(shù)量少,、性價比高,。雖然開關(guān)電源可以采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，但雙電感加單電容(LLC)串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器在滿足這些應(yīng)用要求方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢,。本文主要分析了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的一些重要的設(shè)計考慮,，如諧振電容和諧振電感的配置、工作狀態(tài),、建模和增益特性等,。此外，還包括其它一些考慮因素,，如初級電流和諧振電容的參數(shù)確定,、次級整流設(shè)計和輸出電容參數(shù)的確定、諧振電感的平衡性,、變壓器繞組參數(shù)的確定和變壓器的制作等,。本文最后還簡要介紹了安森美半導(dǎo)體的兩款高能效半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器解決方案NCP1395和NCP1396的主要特性及其應(yīng)用設(shè)計側(cè)重點(diǎn)，方便客戶的應(yīng)用設(shè)計,，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程,。