4. LLC諧振變換器

LLC諧振變換器，顧名思義是由兩個(gè)電感L和一個(gè)電容C構(gòu)成關(guān)鍵器件，并通過LC諧振實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。 LLC也屬于離線式變換器，輸入輸出由變壓器隔離。

圖15 LLC串聯(lián)諧振變換器

LLC需要兩只開關(guān)管交替工作。 Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，且占空比固定為50%。 因此與前三種拓?fù)涞腜WM控制方式不同，LLC并不是通過控制占空比大小來控制輸出的，而是通過調(diào)節(jié)方波的頻率實(shí)現(xiàn)的，這種控制方式稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM，Pulse Frequency Modulation)。 LLC的控制時(shí)序和方式較為復(fù)雜，這里不做詳述，感興趣的朋友直接百度即可。

在前三種變換器拓?fù)渲?，開關(guān)管的導(dǎo)通都是在開關(guān)管兩端存在電壓的情況下完成的，由于導(dǎo)通的過程并不是理想的“瞬時(shí)導(dǎo)通”，開關(guān)管兩端的電壓是以一定的斜率降為零。 在下降的過程中，電壓與電流形成交集，這個(gè)交集便是損耗，稱為開關(guān)損耗。 開關(guān)損耗是開關(guān)電源主要損耗之一，且隨著開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。 這種開關(guān)方式稱為硬開關(guān)。

圖16 硬開關(guān)導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗

由于LC諧振電壓和電流存在相位差，開關(guān)管在諧振過程中，可以在巧妙地避開電壓和電流的交集，從而避免一部分導(dǎo)通損耗。 這種避開電壓和電流交集而開通的技術(shù)，成為軟開關(guān)技術(shù)，即零電流開通ZVS(Zero Voltage Switch)。

圖16 零電壓開通ZVS

LLC的結(jié)構(gòu)和控制方式都較為復(fù)雜，因此并不適用于小功率或低成本的產(chǎn)品。 另外，LLC在原理上只能設(shè)計(jì)一個(gè)最佳工作點(diǎn)，離開這個(gè)工作點(diǎn)，效率就會變差。 對于輸出范圍較寬的應(yīng)用(多個(gè)工作點(diǎn))，LLC拓?fù)湟膊惶m用。

除了以上四種的拓?fù)?，還有一些衍生拓?fù)浠蛐滦屯負(fù)洌缢墓蹷uck-Boost，F(xiàn)orward正激，Sepic拓?fù)涞鹊取?篇幅限制我們這里不再詳述。 需要特別說明一下四管Buck-Boost電路，它是Buck和Boost電路的結(jié)合后的衍生電路。 四管Buck-Boost能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的功能，因此在很多應(yīng)用中都可能看到它的身影。

開關(guān)電源是如何自主控制的

至此我們簡單介紹了開關(guān)電源的常用拓?fù)浼捌淇刂品绞健?我們已經(jīng)了解到，控制開關(guān)電源的關(guān)鍵就是控制開關(guān)管的工作。 但是到目前為止我們還沒有提到它們是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。 自動(dòng)控制是一門獨(dú)立的學(xué)科，涉及到系統(tǒng)建模，模型分析，環(huán)路增益補(bǔ)償?shù)葍?nèi)容。 顯然筆者不會在這里介紹這些令人昏昏欲睡的知識，這會使大家望而卻步。 接下來我們會以最簡單明了的方式，解釋開關(guān)電源是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。

一個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自我控制，就必須進(jìn)行自我反饋。 “反饋”是自動(dòng)控制的基石。 一個(gè)人對一件事缺乏反饋，就不清楚這件事的結(jié)果是否符合預(yù)期，也無法做出及時(shí)的矯正。 開關(guān)電源沒有反饋，就不會獲知其輸出是否是我們要求的結(jié)果。 反饋的本質(zhì)，就是對輸出的內(nèi)容進(jìn)行采樣，并反映到控制上來，形成一個(gè)完整的閉環(huán)，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定。

我們以Buck電路為例解釋一下反饋的原理及自動(dòng)控制的過程。

圖17 具有反饋環(huán)路的Buck電路

這里用藍(lán)色部分表示控制環(huán)路。 控制環(huán)路主要是由采樣網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、PWM比較器組成。 采樣網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓，經(jīng)過一系列調(diào)整，輸出控制信號給開關(guān)管，形成完整的控制閉環(huán)。

工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，會根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在控制器中寫入?yún)⒖茧妷?a href="http://www.3532n.com/v/tag/3668/" target="_blank">Vref。 這個(gè)參考電壓與需求的輸出電壓相關(guān)，假設(shè)我們要求這個(gè)Buck是一個(gè)穩(wěn)定5V輸出電路，那么參考電壓就設(shè)定為5V，即Vref=5V。

采樣電壓Vs和參考電壓Vref相減，便是實(shí)際輸出值與我們設(shè)定值的誤差值Ve。 這個(gè)誤差經(jīng)過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償后，與鋸齒波比較后，輸出方波，進(jìn)而控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)輸出電壓Vo與設(shè)計(jì)電壓Vref誤差增大時(shí)，控制電壓Vc增大，比較后的方波占空比D減小，根據(jù)Vo=Vin*D，使輸出電壓減小。 最終實(shí)現(xiàn)Vo穩(wěn)定在Vref附近。

圖18 PWM脈沖寬度調(diào)制原理

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用，是對誤差信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆群拖辔坏难a(bǔ)償。 補(bǔ)償?shù)哪康氖潜ＷC電路的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。 讓我們以手動(dòng)調(diào)節(jié)水溫為例子，解釋一下穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。 我們在洗手時(shí)，往往希望通過左右調(diào)節(jié)水龍頭來控制水溫。 而實(shí)際的水溫可能總是和我們預(yù)期的溫度(Vref)有一個(gè)偏差，這個(gè)穩(wěn)定的偏差，就是穩(wěn)態(tài)誤差。 另外一個(gè)令人惱火的現(xiàn)象，就是調(diào)節(jié)水溫時(shí)，總是要么太熱，要么太冷，水溫總是比我們調(diào)節(jié)措施有所滯后(相位滯后)，這個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的滯后表現(xiàn)，就是動(dòng)態(tài)性能。 在這樣的情況下，我們和水龍頭組成的這個(gè)“系統(tǒng)“，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都很差。

穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)滯后是我們不希望看到的結(jié)果。 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的問題。 對于這個(gè)例子，我們可以經(jīng)過訓(xùn)練提升自己準(zhǔn)確調(diào)節(jié)水溫的能力，本質(zhì)上，這就是在大腦中建立了良好的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

開關(guān)電源的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)同樣是為了保證輸出電壓與預(yù)期設(shè)定相匹配，不僅能夠減小穩(wěn)態(tài)誤差，也能夠在負(fù)載突然變化時(shí)，保證系統(tǒng)快速響應(yīng)。

至此，整個(gè)開關(guān)電源就能實(shí)現(xiàn)自我控制了。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，隨著集成電路的發(fā)展，部分控制環(huán)路和開關(guān)電源電路都集成到了IC中。 比如下邊這個(gè)Buck控制器，將開關(guān)管，二極管，控制環(huán)路都集成在了一起。 簡化了工程師的設(shè)計(jì)難度，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以通過CMP引腳設(shè)置，還增加了使能引腳(EN)來使能控制電路的IC。

圖20 Buck集成PWM控制

產(chǎn)品中的開關(guān)電源

毫不夸張地說，幾乎任何需要用電的產(chǎn)品都需要開關(guān)電源。 有些產(chǎn)品中，開關(guān)電源僅作為供電系統(tǒng)，如手機(jī)的電池管理系統(tǒng)(BMS); 有些產(chǎn)品則完全是以開關(guān)電源設(shè)計(jì)的，如電源適配器，充電寶等。 我們以電源適配器來介紹一下在產(chǎn)品中，開關(guān)電源是如何發(fā)揮作用，為用戶帶來價(jià)值的。

如前面提到的，開關(guān)電源的拓?fù)湫枰鶕?jù)實(shí)際使用場景和需求來選擇。 電源適配器是將電網(wǎng)110V~220V左右(我國電網(wǎng)電壓為220V交流電; 一些國家或地區(qū)為110V交流電)的高壓交流電，利用開關(guān)電源轉(zhuǎn)化成設(shè)備所需的低壓直流電。 考慮到安全，電源適配器需采用隔離型拓?fù)洹?/p>

對于65W及以下的電源適配器，通常采用flyback拓?fù)?，這種方案使用器件較少，具有較高的成本優(yōu)勢。 對于大于100W的適配器或者多輸出口的適配器，通常采用LLC拓?fù)?，這是因?yàn)閒lyback在大功率輸出時(shí)效率較差，無法滿足產(chǎn)品對于溫升和能效的要求。

下面是常見的Type-C 65W適配器采用QR flyback的簡化電路圖。 電網(wǎng)電壓的交流電通過整流橋整流成直流電，再經(jīng)過EMI濾波器流入flyback輸入端。 EMI濾波器的作用是阻隔EMI干擾。 IEC(國際電工委員會)對于電源適配器的EMI輻射(RE)和(CE)有限制要求，這是為了防止開關(guān)電源適配器在工作時(shí)對周邊其他設(shè)備(輻射)或電網(wǎng)(傳導(dǎo))產(chǎn)生干擾。 因此，上市的產(chǎn)品必須滿足法規(guī)對于EMI的限制。

圖21 電源適配器的電路結(jié)構(gòu)

Type-C電源適配器在實(shí)施正常供電之前，需要適配器端和設(shè)備端的協(xié)議控制器進(jìn)行握手溝通，溝通的協(xié)議就是我們所熟知的快充協(xié)議，如PD協(xié)議，QC協(xié)議等等。 溝通成功后，適配器才會根據(jù)溝通好的電壓和功率為設(shè)備提供電能。 電壓采樣的工作是由協(xié)議控制器完成的，它會將采樣結(jié)果通過光耦反饋給PWM控制器，實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)控制。

光耦起到了“橋接”的作用。 我們提到，隔離型變換器輸入和輸出是“不共地”的，因此協(xié)議控制器的輸出不能直接連接到PWM控制器，否則兩端的“地”就連在了一起。

隨著第三代功率半導(dǎo)體材料的興起，尤其是GaN材料在適配器中的應(yīng)用，適配器的小型化成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要趨勢之一。 如何在滿足安規(guī)，EMC，保證用戶體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高性價(jià)比，體積小巧的電源適配器，是各家廠商絞盡腦汁想要解決的問題。

適配器的EMI(傳導(dǎo)和輻射)和效率是設(shè)計(jì)中遇到的兩個(gè)重要難點(diǎn)。 二者相互扮演著“蹺蹺板“的角色。 為了有效的抑制產(chǎn)品的電磁輻射和傳導(dǎo)干擾，需要增加額外的EMI濾波器，這些濾波器件的寄生電阻反過來降低了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)化效率。 通常，對于產(chǎn)品小型化，效率都有很高要求的產(chǎn)品，會采用一些其他方式，從噪聲源和傳播路徑上消除EMI的干擾。 如抖頻技術(shù)、變壓器輔助繞組抑制、優(yōu)化layout環(huán)路和寄生參數(shù)等方式。

集成電路的發(fā)展推動(dòng)著開關(guān)電源產(chǎn)品的迭代和更新。 如今的電源產(chǎn)品已經(jīng)不是各個(gè)獨(dú)立器件“搭“成的電路。 而是由幾個(gè)合封或集成的IC組成，這種方式簡化了工程師的設(shè)計(jì)難度，更重要的是，集成電路可以最大限度減小電路的寄生參數(shù)，降低EMI，提升效率。

圖22 EMI和效率的關(guān)系

如Cypress的“PAG1P+PAG1S”的方案，將PWM控制器，輔助電路整合到PAG1P中，將SR控制器、協(xié)議控制器以及其他輔助電路整合到了PAG1S中，基本上實(shí)現(xiàn)了兩顆IC控制反激電路，這有助于提升產(chǎn)品的功率密度。

圖23 Cypress的“PAG1P+PAG1S”方案

另外一些小功率應(yīng)用中，會把電路中的開關(guān)管也集成到IC中，這種方式比分立器件更有價(jià)格優(yōu)勢。 但是由于開關(guān)管屬于功率器件，如果沒有較好的散熱措施，或者使用環(huán)境溫度較高，抑或者合封IC的封裝太小，都會使電路設(shè)計(jì)面臨散熱方面的挑戰(zhàn)。 工程師設(shè)計(jì)前期就應(yīng)當(dāng)考慮合封器件散熱的問題。