LLC諧振半橋DC-DC電路設計

楊 磊，吳曉光，羊 彥

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

LLC諧振變換器理論上可實現初級開關管零電壓開通（ZVS）[1]，且關斷電流較小，次級整流管可實現零電流開斷（ZCS）的特點，它既吸取串聯諧振變換器諧振槽路電流隨負載輕重而變化、輕載時效率較高的優點，又兼具并聯諧振變換器在空載下也能穩定工作的特點。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓撲，對其進行研究具有重要的理論意義和實用價值。

1 半橋變壓器設計

圖1為諧振半橋原理圖。

2 諧振參數確定

大功率LED的驅動電源要求恒流輸出，而LED燈芯工藝的差別導致導通壓降不同，因而驅動電源要求具有寬的輸出電壓范圍。此時在選擇LLC諧振電路的工作區時有2種方式，方式一是將電路工作區放在LLC諧振的工作區I，方式二是將電路工作區放在LLC諧振[2]的工作區I和工作區II。前者的電路工作的諧振點處于輸出電壓最低點而輸入電壓最高時，這就要求諧振網絡的增益函數陡峭，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放在輸出電壓的中間值上，這樣諧振網絡的增益函數相對前者平緩，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諧振半橋工作區選擇示意圖Fig.2 LLC resonant half bridge work area chose schematic

針對這一問題FSFR2100芯片的跳周期功能提供了一個較好的解決辦法。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限制工作頻率范圍，這樣當要求的輸出電壓低時而反饋達不到要求，芯片此時進入跳周期工作模式，從而在滿足輸出電壓大范圍變化的條件下使諧振網絡的增益函數相對平緩，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 控制電路設計

圖3 LLC諧振網絡峰值增益曲線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關，專為高效率半橋諧振變換器設計。FSFR系列控制芯片內部集成了MOSFET和快速恢復體二極管，具有高邊柵極驅動電路，精確的電流壓控振蕩器，頻率限制電路，軟啟動和內置保護功能。其中高邊柵極驅動電路有共模噪聲消除能力，具有卓越的抗干擾能力，保證電路的穩定運行。MOSFET的快速恢復體二極管提高了異常操作條件下的可靠性，同時減少了反向恢復的影響。

FSFR2100是FSFR系列中面向高功率應用的產品，控制芯片在無需散熱器的條件下可以實現200 W的輸出功率。其主要特點有：固定50%占空比的變頻控制[4]，固定死區時間為350 ns，內部快恢復體二極管恢復時間120 ns，最高可達300 kHz的工作頻率，輕載條件下可進入跳周期工作模式，具有多重保護功能。芯片的內部原理框圖如圖4所示。

圖4 芯片內部結構圖Fig.4 Chip internal structure

引腳VDL上側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，當此引腳電壓高于0.6 V時，IC工作啟動，下降到低于0.4 V時，上下兩個MOSFET的驅動關斷，當這一引腳電壓高于5 V時，觸發保護；引腳RT控制開關頻率，通常連接到光耦構成反饋回路；引腳CS采樣下側MOSFET的導通電流，通常為負壓檢測；引腳SG控制信號地；引腳PG功率地，與下側MOSFET的源極連接；引腳LVcc控制芯片的電源；引腳HVcc上側MOSFET驅動電路電源；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LED驅動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。當電路上電時IN電壓升高，電壓經電阻 R39，R40，R41將 MOSFET Q5 的柵極電壓抬高，Q5 導通，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芯片開始工作，整個電路工作起來。電路工作起來后，變壓器供電繞組得到一個輸出電壓，經過Q4，R45和ZD4的穩壓電路后得到電源電壓VCC，同時通過R36，ZD3導通Q6，拉低Q5柵極電壓，Q5關斷。其具體電路如圖5所示。

圖5 LED驅動電源的芯片供電電路Fig.5 LED driver chip power supply circuit

5 過流檢測電路

FSFR2100芯片以負電壓形式檢測低端MOSFET的漏極電流[5]，檢測電流的方式有2種，其中半波檢測方式檢測電阻產生功耗低，全波檢測方式的檢測信號具有較低開關噪聲但功耗大。設計的LED驅動電源電路使用的是半波檢測電路如圖6所示，為了濾除檢測信號[6]中的開關噪聲，檢測端采用了RC低通濾波器，低通濾波器的RC時間常數應該為開關周期的 1/100～1/20。

圖6 過流檢測電路Fig.6 Overcurrent detection circuit

6 結束語

文中主要介紹了LED驅動電源后級DC-DC恒流[7]部分的設計方法，電路采用Fairchild公司FSFR2100的設計方案，文中在對FSFR2100工作原理分析的基礎上，給出了主要電路設計過程。對于恒流工作條件下LLC諧振半橋變壓器[8]的設計方法做了詳細討論，實驗結果完全符合設計要求。

[1]Steigerwald R L.A Comparison of Half Bridge Resonant Converter Topologies[C].In:IEEE Trans on Power Electronics，1988:174-182.

[2]Bo Yang.Topology investigation for front end DC/DC power conversion fordistributedpower system[D].Virginia Polytechnic Institute University PhD Dissertation，2003.

[3]Bo Yang，Lee F C.LLC Resonant Converter for Front-End DC/DC Conversion[C]//In：Proceeding of IEEE APEC02 ，2002：1108-1112.

[4]ST Microelectronics.An introduction to LLC resonant halfbridge converter:An2644.[EB/OL].（2008-09）.http://www.st.com/internet/com/TECH-NICALRESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00174208.pdf.

[5]ST Microelectronics.LLC resonant half-bridge converter design guideline:AN2450[EB/OL].（2007-03）.http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00143244.pdf.

[6]Lu B，Liu W，Liang Y.Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter[C]//IEEE Conference on Applied Power Electronics，2006:110-116.

[7]關永偉.帶PFC預調節器的LLC諧振電源的研究[D].秦皇島：燕山大學，2009.

[8]周偉成.3 kW LLC諧振式模塊化通信電源[D].杭州：浙江大學，2007.