基于FPGA+Si8235控制的LLC諧振變換器設計

潘海燕，蔣友明，張麗萍

(臺州職業技術學院自動化研究所，浙江臺州318000)

基于FPGA+Si8235控制的LLC諧振變換器設計

潘海燕*，蔣友明，張麗萍

(臺州職業技術學院自動化研究所，浙江臺州318000)

為了增加LLC諧振變換器控制靈活性，降低驅動電路的損耗，提出了基于FPGA控制和Si8235驅動的方案;分析了LLC諧振變換器的增益特性;對載波調制隔離驅動芯片Si8235的開通和關斷時間進行了測試比較，設計加速關斷的優化驅動電路;實驗證明，LLC諧振變換器使用FPGA+Si8235組合的控制驅動策略，使電路更加簡單，能實現更快的驅動速度，提高控制靈活性和增加性能效率。

LLC諧振變換器;軟開關;FPGA控制;Si8235驅動

隨著“能源之星”、歐盟EuP(Energy-using Products)等規范機構對電子產品效能的進一步要求，如何減小損耗、發揮效率潛能，給變換器的設計帶來了新的挑戰。與一般軟開關變換器相比，LLC諧振變換器元件少，功率密度高，可實現開關管ZVS(Zero Voltage Switching)和整流管ZCS(Zero Current Switching)，具有很高的變換效率，獲得了越來越廣泛的關注［1-2］。

文獻［3-5］中所列芯片是專用的半橋LLC諧振變換器控制和驅動芯片，非常適合于通用型變換器的開發制作。其中，L6599AT控制器內部集成了高壓浮動驅動的自舉二極管，常用于AC-DC變換器;NCP1395A內部集成了欠壓、環路損壞等保護電路，適合于甚高開關頻率場合;UCC25700是一片適合DC-DC的具有最少引腳的LLC控制芯片。選用專用芯片控制變換器，會帶來一定的局限式，如不能根據電路分布參數要求靈活設置死區時間、不能根據電壓增益要求設計更寬或更窄的頻率范圍等;同時，由于LLC諧振變換器為了實現ZVS環境，不能在待機或低負載時關閉諧振腔電流，雖然這些芯片內部都集成了適用待機模式的Burst控制電路，但在需要作一些輕負載策略調整如變模態控制［6-7］時，這些芯片會力不從心。

為了增加控制靈活性，本文對LLC諧振網絡特性進行了分析，根據對隔離驅動型芯片Si8235性能參數的測試，設計了FPGA控制的優化加速關斷電路，并制作實驗樣機進行了驗證。

1 LLC工作原理分析

半橋LLC諧振變換器原理電路如圖1所示。變換器包括:前級功率因數校正(PFC)電路，母線保持電容Cin，由Q1、Q2驅動開關管的方波產生器，由串聯諧振電容Cr、串聯諧振電感Lr和并聯勵磁電感Lm組成的諧振網絡，變比為n:1:1的理想變壓器T，VD1、VD2組成的整流電路，濾波電容CO以及負載電阻RO。其中Lr可以是一個獨立元件，或者與變壓器磁集成。

圖1 半橋LLC諧振變換器

諧振網絡的交流電壓增益為:

電路的直流增益為:

根據交流電壓增益方程式(1)，得到不同K、Q值下的諧振網絡歸一化增益特性曲線，如圖2所示。

圖2 歸一化增益特性曲線

設計諧振參數后，K值固定，Q值由負載電阻決定。諧振網絡的增益隨著開關頻率f的變化而改變，從而獲得了不同的增益，其中最大增益和最小增益由開關最低和最大頻率決定。當負載較重或輸入電壓較低時，電路開關頻率fr2＜f≤fr，f越低于fr，Gac越大，實現開關管ZVS和整流管ZCS;當輸入電壓較高或負載較輕時，開關頻率f＞fr，只有開關管實現ZVS，整流管ZCS條件喪失，隨之帶來需要考慮同步整流以減少開關損耗等問題。因此，設計諧振網絡參數時，應盡量在額定負載時開關頻率工作于fr。

2 驅動電路設計

為了保證LLC諧振變換器可靠工作，除了保證變壓器原、副邊的電氣隔離外，還需對控制信號和互補驅動電路進行隔離，避免高邊驅動所帶來的浮地問題。由于LLC諧振網絡工作開關頻率高，傳統的普通光耦隔離型驅動電路開關速度慢，延時長，已不適合變換器的要求。磁隔離雖然效果良好，但電路復雜，需要占用較大的電路空間，不符合功率密度要求。

Si8235芯片［8］是Silicon Laboratories公司最新的專用半橋驅動芯片，其內部集成了兩路完全獨立的驅動電路，峰值電流可達4 A、最高頻率可達8 MHz;同時，該芯片在其前端采用專利的載波調制隔離技術，不但克服了光耦隔離的缺點，極大提高轉換速率;并且能夠提供最佳的噪音和干擾抑制，是一塊理想的驅動+隔離型集成芯片，非常適于半橋電路的驅動。Si8235電路內部框圖如圖3(a)所示。引腳功能如下:

(1)VIA、VIB是與TTL電平兼容的邏輯輸入端。VIA或VIB高電平時相應的輸出VOA或VOB變高。輸入/輸出通道VIA和VOA、VIB和VOB，類似于光耦+驅動的組合，但不同的是，Si8235采用射頻載波發射和接收而不是光調制隔離，這種簡單的結構提供了一個強大的隔離通道。

(2)DISABLE為輸出使能端，當DISABLE為高電平時，VIA、VIB輸出變低。

(3)UVLO(Undervoltage Lockout)電路用于低電壓保護，防止上電和關機時的誤操作，為了做到有效隔離，輸入側電源VDDI和輸出側電源VDDA、VDDB，必須與其相應的地GNDI和GNDA、GNDB盡可能靠近引腳放置的去耦電容。

IR2110是早期傳統的半橋驅動芯片［9］，若使用FPGA控制，需要“電平轉換+高速光耦+IR2110” 3者組合;而若采用Si8235，則僅需一片即可，節省了大量的PCB空間，同時，后者的方案要比前者更節省元件成本。圖3(b)為IR2110和Si8235采用+15 V供電時驅動MOSFET IRFP460的驅動上升沿和下降沿測試對比度波形，從圖中可知，Si8235能較快上升到電源電壓，而 IR2110在上升到門電壓+10 V后緩慢上升，需要150 ns才能撤銷驅動電壓，而Si8235上升時較快到達+15 V，下降沿只須75 ns左右，上升下降時間更短，驅動能力更強，可以提高驅動效率。

圖3 Si8235芯片原理圖

設計的諧振變換器采用Si8235驅動，電路如圖4所示。來自FPGA的控制信號接入Si8235控制輸入端，若考慮引線距離較遠，可加入施密特非門74HC14。上臂驅動電源采用VD1和C1組成的自舉浮動電路，為了加速關斷功率管，采用了VT1和VT2組成的飽和導通型關斷電路。

圖4 Si8235驅動電路

3 實驗驗證

制作LLC諧振變換器實驗樣機，采用Xilinx公司的Spartan 3E Starter Board產生開關頻率控制信號，輸出經PF871+TL431組成的反饋補償環路，送入Spartan 3E開發板，利用FPGA實現PI數字控制算法調節輸出頻率，實現輸出電壓穩定。諧振網絡額定輸入電壓Vin=310 V，輸出電壓Vo=24.0 V，諧振電容Cr=33 nF，諧振電感Lr=76μH，勵磁電感Lm=512μH。測試額定負載和重負載下的各關鍵點電壓電流波形，如圖5所示。

圖5 實驗波形

當開關頻率為fr時，Q1導通、Q2關斷后，諧振電流iCr按頻率fr上升，iLm因為副邊的鉗位而線性上升，iCr＞iLm，整流側VD1導通整流，輸出由VD1提供能量。到達諧振半周期時刻，iCr=iLm，整流側二極管VD1截止，Q1關斷。但此時Q2導通，諧振電流iCr按頻率fr下降，iLm線性下降，iCr＜iLm，整流側VD2導通整流，輸出由VD2提供能量，直至下半周期結束，進入下一周期Q1導通、Q2關斷。因此，負載電流io為由iVD1、iVD2交替續流、頻率為fr的電流波形，而iCr是頻率為fr的諧振正弦波。實驗表明，變換器能根據設計要求輸出穩定電壓，并實現開關管的ZVS和整流管的ZCS。

4 結論

本文針對LLC變換器提出了FPGA+Si8235控制驅動策略，通過測試Si8235芯片的驅動能力，優化開關管開通和關斷電路，保證了LLC變換器開關管ZVS和整流管ZCS軟開關條件。實驗證明，FPGA+Si8235控制驅動能實現靈活的半橋驅動開關頻率控制，有利于減小電路尺寸，提升LLC諧振變換器的驅動效率。

［1］張振銀，秦會斌，劉琦，等.基于LLC的半橋諧振變換器設計［J］.電子器件，2010(5):587-590.

［2］Fairchild Semiconductor，San Jose，CA.(2013，May).Online Seminars:Design Considerations for an LLC Resonant Converter［Online］.Available:http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/onlineSeminars/Design-Considerationsfor-an-LLC-Resonant-Converter-PPT.pdf.

［3］STMicroelectronics，Coppell，TX.(2013，March).L6599AT:Improved high-voltage resonant controller.［Online］.Available:http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00229137.pdf.

［4］ON Semiconductor，Phoenix，AZ.(2008，Sep.).NCP1395A/B:High performance resonantmode controller［Online］.Available:http:// www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1395-D.PDF.

［5］Texas Instruments，Dallas.(2008，Sep.).UCC25700:8-pin high performance resonant mode controller.［Online］.Available:http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf.

［6］Wang Bin，Xin Xiaoni，Stone Wu，et al.Analysis and Implementation of LLC Burst Mode for Light Load Efficiency Improvement［C］//Proc IEEE APEC，2009，58-64.

［7］FengWeiyi，Fred C Lee，Paolo Mattavelli.Optimal Trajectory Control of Burst Mode for LLCResonant Converter［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2013，28(1):457-466.

［8］Silicon Laboratories，Austin，TX.(2013，May).TechnicalDocs:0. 5 AND 4.0 AMP ISODRIVERS(2.5 AND 5 KVRMS)［Online］. Available:https://www.silabs.com/SupportDocuments/TechnicalDocs/Si823x.pdf.

［9］International Rectifier，Kansas St.(Data Sheet No.PD60147 rev. U).IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF:High and Low Side Driver［Online］.Available:http://www.irf.com/ product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.

Design of LLC Resonant Converter Based on FPGA+Si8235

PAN Haiyan*，JIANG Youming，ZHANG Liping
(Taizhou Vocational and Technical College，Taizhou Zhejiang 318000，China)

LLC resonant converter based on FPGA digital control and Si8235 driven is proposed to increase the flexibility and reduce the power loss of the driving circuit.Detailed analysis on gain characteristic of LLC resonant converter is presented.According to the test of the turn on and turn off time of the carrier modulation isolated chip Si8235 and making a comparison between them，an optimal driving circuit with cutting down turn-off time is designed and realized.The experiments show that LLC resonant converter combined with FPGA control and Si8235 driven strategy achieves simpler circuit，faster drive speed，and control flexibility and performance efficiency.

LLC resonant converter;Soft-switching;FPGA control;Si8235 drive

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.010

TM 46 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0038-04

2013-05-10修改日期:2013-06-11

EEACC:1290B

潘海燕(1972-)，男，漢族，浙江溫嶺人，臺州職業技術學院教師，副教授，目前主要研究方向為電源變換器的設計和應用，panhy@msn.com;

蔣友明(1968-)，男，漢族，浙江溫嶺人，臺州職業技術學院老師，副教授，主要研究方向為電子技術應用，jia6803@ 163.com。