半橋LLC諧振式通信電源的研究與設計

王天宇

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，通信電源的設計直接影響到了通信質(zhì)量，在進行設計過程中，要注重保證通信電源設計的安全性和可靠性，為通信提供穩(wěn)定的服務。在對這一問題研究過程中，本文主要討論了LLC諧振式通信電源的研究與設計，分析了LLC諧振式半橋變換器在小功率通信電源中的應用，對其工作原理以及相應的設計方法進行了分析。LLC諧振式通信電源的應用，與傳統(tǒng)變換器相比，具有更高的效率性和可靠性，能夠解決通信電源應用的實際問題。本文在研究過程中，以500W通信電源樣機作為分析對象，對LLC諧振式通信電源如何進行設計，如何處理在設計過程中遇到的問題，進行了相關闡述。希望本文的研究，能夠為半橋LLC諧振式通信電源應用提供一些參考和建議。

【關鍵詞】LLC諧振式半橋變換器 通信電源 調(diào)頻控制

通信設備在應用過程中，開關電源是其重要組成部分，開關電源設計的好壞，將直接影響到通信網(wǎng)絡運行的最終效果。隨著科學技術的快速發(fā)展，3G、4G移動網(wǎng)絡得到了廣泛地應用，在這一過程中，開關電源設計必須具有較高的可靠性和效率性，這樣一來，才能夠更好地滿足人們的實際需要。在中小功率通信電源場合中，半橋LLC諧振式通信電源得到了較為廣泛地應用，這一技術手段有效地提升了開關電源的可靠性，并能夠在很大程度上提升EMI性能。該諧振式半橋變換器是一種新型的諧振變換器，利用三元件諧振調(diào)頻控制保證電壓輸出具有較高的穩(wěn)定性，能夠更好地保證系統(tǒng)設備運行的可靠性。在研究過程中，本文以500W高性能通信電源作為研究對象，對傳統(tǒng)設計模式進行改變，更好地對原有的設計方式進行優(yōu)化，提升通信電源的性能和質(zhì)量，更好地保證通信設備運行的安全性和可靠性。

1 半橋LLC諧振式變換器工作電路結(jié)構及原理

要想將半橋LLC諧振式變換器更好地應用于實際通信設備中，必須對這一技術手段的工作原理以及設計過程中應該注意的事項進行有效了解，弄懂技術手段的關鍵，這樣一來，才能夠真正發(fā)揮半橋LLC諧振式通信電源的功能和作用。

1.1 半橋LLC諧振式工作電路結(jié)構

在對半橋LLC諧振式工作原理分析過程中，我們可以從半橋LLC諧振式電路結(jié)構對這一問題進行分析，具體如圖1所示。

如圖1所示，我們可以看出，半橋LLC諧振式電路結(jié)構中，主要涉及到了Q1和Q2兩個互補的開關管，這兩個開關管的占空比為0.5，在設計過程中，驅(qū)動信號加入死區(qū)，能夠有效地防止上下橋壁出現(xiàn)直通現(xiàn)象，從而保證電流能夠正常地運行，在很大程度上保證了電源設計的安全性和可靠性。同時，在半橋LLC諧振式電路結(jié)構中，Q1和Q2的體二極管主要由Ds1和Ds2負責掌管，并且Ds1和Ds2作為二極管Q1和Q2的電容，使線路L之間形成一個諧振腔，從而利用L系列三個元件，能夠更好地根據(jù)頻率變化，對諧振腔的阻抗進行更改，保證了電壓輸出過程中，具有較高的穩(wěn)定性。半橋LLC諧振式電路結(jié)構在應用過程中，需要考慮到變壓器原邊電壓被鉗位的問題，需要對L系列中不參加諧振的電感Lm進行處理。同時，LLC諧振式電路結(jié)構中，涉及到了兩個諧振頻率，這兩個諧振頻率分別為fr1和fr2，關于諧振頻率問題，我們可以從下面公式中看出：

如上圖公式所示，我們可以看出，在對諧振頻率求解過程中，需要考慮到諧振頻率的影響因素，即電路結(jié)構中的諧振電感，還需要考慮到諧振電容，其中諧振電感為Lm和Lr，諧振電容為Cr，通過對諧振電感和諧振電容的求解，可以對LLC變換器的諧振頻率進行有效求解，保證在進行電路設計過程中，使整個電路具有更高的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 半橋LLC諧振式電路工作原理

半橋LLC諧振式電路在工作過程中，相對于諧振變換器而言，其工作模式涉及到了三種，當開關頻率滿足大于fr2，小于fr1時，LLC諧振式變換器處于最佳的工作狀態(tài)，這樣一來，在進行實際工作過程中，通過控制ZVS可以實現(xiàn)對開關的有效管理，并且副邊二極管能夠?qū)CS進行管斷處理。除此之外，另外兩種工作模式下，LLC半橋諧振式變換器也能夠進行工作，但是相比于上述頻率范圍內(nèi)，效果要相對較差。接下來，本文就半橋LLC諧振式電路工作原理問題進行相關介紹，具體內(nèi)容如下所示：

1.2.1 f處于[t1，t2]區(qū)間的LLC變換器工作過程

在這一過程中，LLC變換器在工作過程中，開關管S2處于導通狀態(tài)，二極管VD1和VD2處于截止狀態(tài)。在t0時刻，S2管斷，相關內(nèi)容我們可以從圖2中看出。

如圖2所示，我們可以看出，處于[fp，fr2]區(qū)間的LLC變換器工作過程中，電流is處于繼續(xù)流動狀態(tài)，在這一過程中，其電流流動的方向不會發(fā)生改變。但是C1處于放電狀態(tài)，C2則處于充電狀態(tài)，位于A點的電位呈現(xiàn)出電流上升的趨勢，在上升到Us后，S1的體二極管處于導通狀態(tài)，從而能夠為ZVS創(chuàng)造有利條件，使其能夠進行電流的有效傳輸。但這一過程中，原有的邊繞組會出現(xiàn)較大的變化，VD1二極管處于開通情況，能夠向負載提供能量，并且鉗位選擇過程中，以n×V為主。在對該電路進行分析過程中，我們需要考慮到Lp在工作過程中是否處于諧振狀態(tài)，并能夠根據(jù)電流以及斜率情況，對線性上升關系進行有效地把握。

1.2.2 f處于[t1，t2]區(qū)間的LLC變換器工作過程

在f處于[t1，t2]區(qū)間的LLC變換器工作過程中，我們需要對這一階段的電路組成情況進行明確，并能夠根據(jù)區(qū)間特點，對LLC變換器工作過程進行較好的分析，具體內(nèi)容我們可以從圖3中看出。

從圖3中我們可以看出，在f處于[t1，t2]區(qū)間時，LLC變換器在工作時，出現(xiàn)了較大的變化，在t1過程中，S1柵極加上驅(qū)動信號，零電壓開通的情況下，這就會導致Ns處于一種上正下負的情況，并且VD1處于導通狀態(tài)，能夠為負載提供一定的能量。在Lp和Vt的鉗位選擇上，依舊以n×V為主。同時，在對串聯(lián)諧振問題分析過程中，我們可以看出，Cs和Ls處于諧振狀態(tài)，并且斜率呈現(xiàn)出一種線性上升的趨勢。

1.2.3 當f值處于理想工作狀態(tài)下的Q1和D1變化情況

在f值處于理想狀態(tài)下，主要是指開關頻率滿足大于fr2，小于fr1時，這一過程中，諧振頻率保持在一個理想的狀態(tài)。對此，在這一過程中，電路工作時具有更高的安全性和可靠性。關于這一情況，我們可以從圖4中看出。

如圖4所示，當Q1和Q2進入死區(qū)后，諧振電流會給Q2進行充電，但是這一過程中，Q1會處于放電狀態(tài)，這樣一來，就會導致Lr的電流會大于Lm中的電流，從而造成D1出現(xiàn)導通情況。當Q1體二極管開始導通后，Q1的開通時會結(jié)束，同時，Q1實現(xiàn)了ZVS的開通。除此之外，處于這一階段后，f>fr2，D1和D2也不再是ZCS，Cs和Ls會處于串聯(lián)諧振的狀態(tài)，關于這一情況，我們可以從圖5的LLC諧振半橋變換工作波形中看出。

如圖5所示，我們可以看出，LLC諧振半橋變換器在工作過程中，由于D1和D2的變化，導致Ls和Lm數(shù)值出現(xiàn)較大的變化，從而導致變換器在工作過程中，波形出現(xiàn)較大的變化。

2 半橋LLC諧振式通信電源的設計

在進行半橋LLC諧振式通信電源設計過程中，需要考慮到相關參數(shù)設計問題，這是保證系統(tǒng)運行可靠性的關鍵。一般來說，在進行參數(shù)設計過程中，主要涉及到了最大與最小電壓的增益和諧振網(wǎng)絡參數(shù)兩個方面內(nèi)容，除此之外，在進行半橋LLC諧振式通信電源設計過程中，還需要考慮到設備電源的設計。

2.1 參數(shù)設計分析

在進行參數(shù)設計過程中，我們需要保證最大輸入電壓和最大輸出電壓之間能夠保持一個相對平衡的狀態(tài)，并根據(jù)APFC的標稱輸出電壓問題進行有效考慮，能夠?qū)ψ钚≥斎腚妷哼M行確定。在對這一問題分析過程中，我們可以從下面公式中進行分析：

在這一過程中，我們需要對這一取值問題進行有效分析，該值表示PFC在輸出電壓爭議與諧振頻率的增益對應關系，這一增益效果與Lp和Ls的比值k有著密切的聯(lián)系。其中，k主要代表了諧振頻率的比值。當峰值處于增益的情況下，k值較大，MOS在導通過程中，會出現(xiàn)較小的損耗，反之，若是k值較小，峰值增益較低的情況下，MOS在導通過程中，可能會面臨較大的損耗問題。在對電壓增益值計算過程中，我們主要考慮到最小電壓增益和最大電壓增益兩個問題，具體可從下面公式中看出：

除此之外，在進行參數(shù)設計過程中，為了更好地提升LLC半橋變換器的性能，我們需要對其進行優(yōu)化設計，這就需要考慮到參數(shù)優(yōu)化問題，本文在對該問題研究過程中，主要從MOS管實現(xiàn)ZVS的限制條件角度出發(fā)，探討了諧振頻率問題。一般來說，在利用MOS管實現(xiàn)ZVS過程中，需要保證最高輸出電壓能夠大于ZVS所需要的能量，保證電感電流的最大值為I，I的取值我們可以從下面公式中看出：

在上面公式中，Cgps主要是指半橋離散點，Cstry代表電容所需要的充滿電流。在對MOS管問題分析過程中，需要考慮到I的最終數(shù)值，這一數(shù)值若是較大，需要對其進行修正，保證其能夠滿足LLC諧振半橋變換器設計的實際需要。

2.2 變壓器設計

在利用LLC諧振半橋變換器進行電源開關設計過程中，考慮到相關參數(shù)設計外，還需要對變壓器進行有效設計。由于在電路中，激磁電感與諧振電感處于并聯(lián)的狀態(tài)，這一過程中，為了更好實現(xiàn)變壓器等效效應，需要對其集成2個電感，變壓器的變化情況如下：

這樣一來，為了更好地滿足電路設計需要，考慮到趨膚效應時，選擇的初級電源線匝數(shù)為184匝，銅線選取過程中，直徑應為0.1mm，并且原邊采用5股，副邊可采用50股。變壓器設計過程中，主要考慮到了諧振電感的數(shù)量級問題，需要保證其數(shù)量級選擇能夠滿足變壓器結(jié)構，并能夠?qū)β└兄祮栴}進行有效地處理。

3 500W的LLC諧振半橋變換器應用

本文在對LLC諧振半橋變換器通信電源設計問題研究過程中，以500W通信電源為研究案例，關于500W通信電源原理，我們可以從圖6中看出。

在進行500W通信電源設計過程中，需要考慮到APFC和DC兩級，其中，對于APFC設計主要以“Boost”拓撲方式為主，驅(qū)動芯片選擇上，以L6562型號為主。在對DC級設計過程中，這采取了LLC諧振半橋變換器，其選擇的芯片型號為L6599。LLC諧振半橋變換器應用過程中，變換器直流電壓為400V，輸出電流為10A，在設計過程中，需要保持時間在20ms范圍內(nèi)。其中，APFC的輸出電容為2×330μF。針對于這一情況，在進行設計過程中，Gmin的取值為1.12，Gmax的取值為1.25，同時，Cs為兩個電容串聯(lián)，電感Lp的取值為280，整流二極管為60CPQ150。

在進行設計和應用過程中，需要對ClassB的取值進行限制，并能夠盡最大可能地保證EMI具有較好的性能。關于EMI測試問題，我們可以從圖7中看出。

如圖7所示，我們可以看出，通過交錯PFC技術，利用同步整流技術，能夠更好地提升LLC半橋諧振變換器的效率，從而發(fā)揮低EMI優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

綜上所述，我們可以看出，在進行LLC諧振半橋變換器設計過程中，要注重對LLC諧振半橋變換器工作電路、工作原理進行把握，保證設計過程中，能夠嚴格按照相關標準進行。同時，在LLC諧振半橋變換器工作過程中，要考慮到“最佳條件”問題，即保證諧振頻率處于一個最佳條件，更好地提升諧振半橋變換器能夠具有較好的性能和狀態(tài)，從而使其在工作過程中，發(fā)揮作用。在研究過程中，本文列舉了實際案例，通過利用500W的LLC諧振半橋變換器應用，可以更好地了解到LLC諧振半橋變換器在開關電源設計中起到的重要作用，這對于指導實踐活動來說，有著重要的指導性意義。因此，在應用LLC諧振半橋變換器過程中，要注重對實際情況進行結(jié)合，保證LLC諧振半橋變換器能夠在電源開關設計中，真正發(fā)揮作用。

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作者單位

武漢輕工大學電氣與電子工程學院 湖北省武漢市 430023