半橋LLC諧振式通信電源設(shè)計(jì)

應(yīng)榮輝

（浙江省紹興市上虞區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，浙江 上虞 312300）

0 引 言

作為保障通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的重要設(shè)備，對(duì)通信電源的研究始終是業(yè)內(nèi)熱門。現(xiàn)階段的通信電源整體運(yùn)行效率偏低，通信網(wǎng)絡(luò)中很多老舊的通信電源模塊實(shí)際運(yùn)行效率僅約85%[1]。如果能將效率提高至98%，即使在低負(fù)載下依然可以做到高效率運(yùn)行，搭配更先進(jìn)的休眠技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大化。DC/DC諧振式通信電源以其高可靠性、高效率、高功率密度成為通信電源電路設(shè)計(jì)的首選。邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）諧振變換器可有效提功率密度和開關(guān)管工作頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。此外，在變換器前增加一個(gè)有源功率因數(shù)校正電路可有效提高通信電源系統(tǒng)的功率因數(shù)和運(yùn)行效率，因此結(jié)合有源功率因數(shù)校正電路和DC/DC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)提出兩級(jí)通信電源電路設(shè)計(jì)方案，旨在有效提高通信電源的運(yùn)行效率，促進(jìn)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的通信電源為有源功率因數(shù)校正電路和DC/DC諧振變換器兩級(jí)結(jié)構(gòu)。其中有源功率因數(shù)校正電路可以在確保通信電源可靠、體積小巧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不低于95%的功率因數(shù)[2]。DC/DC變換電路采用軟開關(guān)LLC半橋諧振變換器，可以滿足高效率要求。兩級(jí)電路均設(shè)置了保護(hù)電路，以保證通信電源的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，分別在原邊、副邊接入單片機(jī)，通過(guò)電源管理總線（Power Management Bus，PMBus）進(jìn)行監(jiān)控，通信電源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 通信電源系統(tǒng)框架

2 有源功率因數(shù)校正電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的通信電源系統(tǒng)采用Boost型有源功率因數(shù)校正電路，其電路原理如圖2所示。

圖2 Boost型有源功率因數(shù)校正電路

按照不同的電感電流類型，Boost型有源功率因數(shù)校正電路工作模式可分為連續(xù)電流模式、斷續(xù)電流模式、臨界連續(xù)模式。這3種模式各有優(yōu)劣，適用于不同的場(chǎng)景[3]。連續(xù)電流模式（Continuous Current Mode，CCM）工作模式的電感電流始終非零，電流比較平穩(wěn)，適用于功率不低于250 W的電路。因此，本次設(shè)計(jì)的通信電源Boost型有源功率因數(shù)校正電路采用CCM模式。在該模式下，接通開關(guān)Q，輸入電壓為Uin，開關(guān)Q、電感L形成回路。輸入電壓Uin對(duì)電感L充電，L的線圈做左加右減，電流線性增加，輸入電壓Uin未輸出能量，負(fù)載能量來(lái)自電容器C中。斷開開關(guān)Q，輸入電壓Uin向負(fù)載輸出能量，同時(shí)電感也向負(fù)載傳遞能量，并為電容器充電，此時(shí)輸出電壓UO大于Uin，并開始下一個(gè)周期。Boost型有源功率因數(shù)校正電路功率因數(shù)高，輸入電流是連續(xù)的。由于開關(guān)管Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與輸出共地，電感L的電流電與輸入電流回路相同，因此可以通過(guò)控制電感L的電流控制Boost型有源功率因數(shù)校正電路的輸入電流。

3 DC/DC諧振變換電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主要目的是有效提高通信電源的運(yùn)行效率與可靠性，更好地滿足人們的通信需求，僅有低損耗、低線壓功率的功率管無(wú)法滿足這一需求，因此需要從更有效的電路拓?fù)淙胧諿4]。目前應(yīng)用廣泛的諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)電壓或電流周期性過(guò)零，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，最終達(dá)到降低開關(guān)損耗，提高變換器效率的目的。因此，本次設(shè)計(jì)的通信電源系統(tǒng)選用LLC半橋諧振式變換器作為主要變換器，其電路基本原理如圖3所示。

圖3 LLC半橋諧振變換電路原理

LLC半橋諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)[5]。一是即使負(fù)載波動(dòng)很大，LLC半橋諧振變換器的開關(guān)管也能支持零電壓開通，開關(guān)管開通損耗更低；二是LLC半橋諧振變換器輸入電壓較高時(shí)，開關(guān)線損依然可以保持較低水平；三是變壓器副邊整流二極管可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，降低了二極管反向恢復(fù)造成的關(guān)斷損耗；四是LLC半橋諧振變換器可通過(guò)磁集成技術(shù)將諧振和勵(lì)磁電感參數(shù)集中在變壓器上，從而達(dá)到縮小磁性元件體積的目的。

LLC半橋諧振變換器存在兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)是電容Cr、電感Lr參與諧振，勵(lì)磁電感不參與諧振，此時(shí)諧振頻率為fr；另一個(gè)是電容器Cr、電感Lr、勵(lì)磁電感Lm共同參與諧振，此時(shí)諧振頻率為fm。兩種諧振頻率的計(jì)算公式為：

當(dāng)開關(guān)頻率fs＞fm時(shí)，MOS管工作在LLC電壓增益曲線ZVS范圍內(nèi)，此時(shí)MOS管開關(guān)損耗比工作在ZCS區(qū)域時(shí)小。當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，LLC半橋諧振變換器的開關(guān)頻率幾乎沒(méi)有變化，即使沒(méi)有負(fù)載的情況下LLC半橋諧振變換器也可以做到零電壓開關(guān)。當(dāng)開關(guān)頻率處于fm＜fs＜fr時(shí)，LLC半橋諧振變換器基本運(yùn)行過(guò)程如下。

圖4 LLC半橋諧振變換器基本階段一

（1）階段一（t0-t1）。如圖4所示，t0時(shí)，開關(guān)Q2關(guān)斷，此時(shí)輸入電壓為母線電壓Um，諧振電流ir大于激勵(lì)電流im；二極管Q1接通，諧振電流ir增大，而負(fù)載兩端電壓不變，勵(lì)磁電感Lm兩端電壓也不變；im繼續(xù)增大，此時(shí)只有電容Cr、電感Lr參與諧振，能量回流到輸入端，諧振電流為正弦波形，當(dāng)諧振電流上升到零時(shí)，進(jìn)入階段二。

（2）階段二（t1-t2）。：如圖5所示，該階段諧振電流ir從負(fù)到正，此時(shí)開關(guān)管Q1上加一個(gè)柵極導(dǎo)通信號(hào)，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，整流管D1導(dǎo)通。變壓器原邊電壓鉗位，勵(lì)磁電感Lm充電，不參與諧振，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出，諧振振電流等于勵(lì)磁電流im和整流管D1不輸出電流。

圖5 LLC半橋諧振變換器基本階段二

（3）階段三（t2-t3）。該階段開關(guān)管均斷開，變換器處于死區(qū)狀態(tài)，但初級(jí)諧振電流ir和勵(lì)磁電感電流im保持不變，電容向負(fù)載輸出能量。此時(shí)，開關(guān)管Q1的寄生電容充電，使Q1兩端電壓上升到Un，Q2的寄生電容放電，Q2兩端電壓降至零，Q2體二極管導(dǎo)通。

（4）階段四（t3-t4）。該階段的開關(guān)管均保持?jǐn)嚅_，但Q2中體二極管接通，Q2零電壓接通。此時(shí)勵(lì)磁電感Lm的電壓反向，次級(jí)整流二極管導(dǎo)通，初級(jí)諧振電流流過(guò)勵(lì)磁電感Lm、體二極管。諧振電流ir小于im，此時(shí)開關(guān)管Q2接通。

（5）階段五（t4-t5）。t4時(shí)刻，開關(guān)管Q1依然保持?jǐn)嚅_，Q2體二極管接通，為Q2導(dǎo)通創(chuàng)造條件。整流管D2接通，此時(shí)原邊電壓上負(fù)下正，Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，能量由輸入傳遞到輸出端。t5時(shí)，諧振電流降為零，此階段結(jié)束。

（6）階段六（t5-t6）。t5時(shí)，開關(guān)管保持?jǐn)嚅_，整流管D2接通，變壓器初級(jí)繞組關(guān)斷。電壓被鉗位，勵(lì)磁電感用這個(gè)電壓線性充電，不參與諧振，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出。t6時(shí)，ir=im，整流管D2電流為零。

（7）階段七（t6-t7）。在t6時(shí)，ir=im，流過(guò)變壓器原邊的電流為零，此時(shí)勵(lì)磁電感不被輸出電壓鉗，參與諧振，整流管均不接通，輸出電容器為負(fù)載提供能量。至此，開關(guān)管Q2在t7時(shí)斷開，該階段結(jié)束。

（8）階段八（t7-t8）。在t7時(shí)刻，開關(guān)管均斷開，但Q1可實(shí)現(xiàn)零電壓切換。諧振電流ir逐漸增大，整流管接通，能量經(jīng)變壓器傳遞給負(fù)載。t8時(shí)，諧振流量從負(fù)轉(zhuǎn)正，階段結(jié)束后回到t0。

4 結(jié) 論

針對(duì)LLC半橋諧振通信電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出有效功率因數(shù)校正電路+DC/DC軟開關(guān)諧振變換器的設(shè)計(jì)方案。諧振電感、諧振電容的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)功能，LLC諧振變換器的運(yùn)用大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。通過(guò)控制開關(guān)頻率處于適當(dāng)區(qū)間（fm＜fs＜fr）實(shí)現(xiàn)原邊功率管的零電壓斷開與接通，從而提高通信電源系統(tǒng)運(yùn)行效率。