LLC電路一般是指的是一個電感L，一個電容C，一個變壓器L，是一種通過控制開關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來實現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路?？煞譃榘霕蚝腿珮騼煞N架構(gòu)。

LLC電路的工作原理

交流方波電壓或電流加在諧振網(wǎng)絡(luò)兩端，產(chǎn)生高頻諧振，諧振電壓或電流經(jīng)過整流和濾波后，轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流，從而實現(xiàn)直流-直流變換（DC-DC）。

LLC電路的工作原理是利用電抗（阻抗，感抗，容抗）來進行分壓，因為感抗，容抗的大小都是頻率f的函數(shù)，所以隨著頻率的變化，感抗、容抗的大小就會跟隨著變化，勵磁電感上的交流分壓可以由驅(qū)動頻率來進行調(diào)整，傳輸?shù)酱渭壗?jīng)過整流，從而得到設(shè)計所需輸出電壓。

LLC電路的設(shè)計難點有哪些？

1. 磁性器件的設(shè)計遵循三個基本原則――小型化，低損耗和低成本。

在功率密度越來越高的情況下，減小磁性器件的體積是非常必要的，這會給整個模塊的布局帶來非常大的便利。為了盡可能的提高效率，改善模塊內(nèi)部散熱，磁性器件的損耗也必須盡可能的小，同時損耗的降低也使得磁性器件使用B級絕緣材料成為可能，可以進一步降低制造成本。另外還需要從繞制工藝和工時方面考慮電感和變壓器的成本，這些都需要體現(xiàn)在磁性器件的設(shè)計當(dāng)中。

磁性器件的設(shè)計難點在于損耗與熱，這兩個互為一體，同時也是整個DC/DC電路的設(shè)計最難點。

對于LLC諧振電路而言，由于采用調(diào)頻控制，不同的輸出電壓和負載條件都對應(yīng)著不同的工作頻率，因此磁性器件的工作范圍非常寬，工作頻率從170kHz至450kHz，在任何一個工作點均必須保證磁性器件的熱設(shè)計滿足降額要求或穩(wěn)定性要求，否則整流模塊的可靠性就無從保證。

磁性器件的設(shè)計遵循以下步驟：

1） 計算；

2）仿真；

3）優(yōu)化。

根據(jù)整流模塊規(guī)格書要求，結(jié)合整體布局考慮，確定磁性器件的基本尺寸（可以有多種方案），通過mathcad進行損耗計算，從而初步得出磁性器件的損耗，進行對比和篩選。

通過ansoft磁性器件仿真平臺，對不同方案的磁性器件進行損耗仿真，得出不同磁芯和不同繞組結(jié)構(gòu)的損耗結(jié)果，該結(jié)果較為接近真實情況，可以對計算結(jié)果進行修正，獲得更為優(yōu)化的方案。

根據(jù)損耗計算和仿真，進行模塊整體布局的熱仿真實驗，從而得出熱設(shè)計的裕量，以此為依據(jù)考慮是否要進一步優(yōu)化設(shè)計磁性器件或優(yōu)化模塊布局。

在上述計算和仿真的基礎(chǔ)上，打樣實物器件進行效率和熱測試，驗證設(shè)計是否合理，并在此基礎(chǔ)上進一步進行優(yōu)化。

2. 熱設(shè)計關(guān)系到整個整流模塊的可靠性，對于通信電源整流模塊而言，工作環(huán)境惡劣，通常要求在45度環(huán)溫下還能夠滿功率輸出，輸出電壓范圍寬廣，必須滿足42V～58V范圍內(nèi)的各種工作條件，由此對模塊內(nèi)部的熱設(shè)計提出了更為嚴格的要求。

對于LLC諧振電路而言，有幾個必須重點關(guān)注的熱風(fēng)險：低壓大電流下的開關(guān)管發(fā)熱；低壓大電流下的諧振電感發(fā)熱；低壓大電流下主變線包發(fā)熱；58V滿載條件下主變磁芯發(fā)熱。

3. 因為在低壓大電流工作狀態(tài)下，開關(guān)頻率接近諧振頻率的2倍頻，開關(guān)管的關(guān)斷電流接近峰值，由此造成開關(guān)管的關(guān)斷損耗增大，造成較大的熱風(fēng)險。

減小MOSFET關(guān)斷損耗的方法是在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容，等效的加大開關(guān)管的結(jié)電容，這樣在關(guān)斷的暫態(tài)過程中，可以延緩開關(guān)管DS兩端電壓的上升時間，錯開電流下降和電壓上升的交疊區(qū)域，從而減小關(guān)斷損耗。

左圖等效的是開關(guān)管未加并聯(lián)電容的關(guān)斷電流和電壓示意圖，i和V的交疊區(qū)域較大，損耗值也就較大，如果加了并聯(lián)吸收電容，則等效的電流和電壓波形如右圖所示，功率P的積分值會較左圖減小很多。效率的實測結(jié)果顯示，在全橋的左邊橋臂和右邊橋臂各加400p的并聯(lián)電容后（在上管和下管并聯(lián)電容的效果是一樣的），輕載效率可以提高0.4％，滿載效率可以提高0.1％。但是并聯(lián)吸收電容的取值也不是越大越好，首先要保證開關(guān)管DS電壓的上升時間不能大于死區(qū)時間，其次是較大的并聯(lián)電容可能導(dǎo)致ZVS條件的喪失，另外較大的電容會對電路的諧振參數(shù)產(chǎn)生影響。

4. 低壓大電流下諧振電感的熱問題主要是由于開關(guān)頻率升高磁通密度增大引起的，由于工作電壓越低開關(guān)頻率越高，原邊電流波形越接近三角波（磁通密度隨之增大），造成了諧振電感磁芯在低輸出電壓時發(fā)熱嚴重，不能穩(wěn)定工作，從而影響了模塊的可靠性。

傳統(tǒng)的電感均采用骨架（有骨架磁性器件）或線包（無骨架磁性器件）緊貼磁芯中柱或邊柱的繞制方法，且采用立式放置，磁芯被包裹部分垂直于風(fēng)道方向，如下圖所示。

傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要有以下兩個缺陷：

1）中柱或邊柱被骨架或線包緊緊包裹，熱量易累積而得不到有效的發(fā)散；2）骨架（或線包）緊貼中柱或邊柱，導(dǎo)致磁芯被包裹部分磁通分布很不均衡，磁通密度較大的區(qū)域形成局部熱點，增加了磁芯內(nèi)部溫度分布的不均勻，易導(dǎo)致局部過熱。

針對以上設(shè)計難點，為了保證磁芯的熱穩(wěn)定性和開關(guān)電源模塊的可靠性，采取以下新的技術(shù)方案來改善磁芯的局部熱點，并加強散熱效果，從而使磁芯的溫度保持在合理的范圍之內(nèi)。

1） 采用骨架或線包外擴方案，降低磁芯被包裹區(qū)域的局部磁通密度，從而降低局部熱點；

2） 磁芯順著風(fēng)道方向側(cè)臥放置，使風(fēng)能夠直接吹到磁芯被包裹部分，從而帶走熱量，達到加強散熱的效果；

具體實施方法參見下圖：

5. 低壓大電流下主變的線包發(fā)熱主要是由于主變寄生參數(shù)與PCB寄生參數(shù)（引線電感）振蕩引起的，下圖是理想情況下主變原副邊電流仿真波形：

圖 11 理想條件下仿真42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

如果考慮主變原副邊漏感，原副邊寄生電容等寄生參數(shù)，仿真42V×61A輸出條件下原副邊電流波形如下圖所示：

圖 11 考慮主變寄生參數(shù)仿真42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

圖 12 實測42V×61A輸出，原邊電流和副邊波形

由于寄生參數(shù)的存在，導(dǎo)致原副邊電流疊加了高頻振蕩諧波電流，這部分高頻振蕩電流的頻率高(6MHz)，幅值大(峰峰值20A)，考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，主變繞組在6MHz頻率點的交流阻抗是400kHz頻率點的十幾倍甚至幾十倍，因此這部分振蕩電流的存在，導(dǎo)致了主變繞組在42V輸出時發(fā)熱嚴重，引起了可靠性問題。


審核編輯：劉清