150W LLC高壓DC - DC諧振轉換器參考設計報告

在電子電源設計領域，高效、緊湊且成本低廉的電源轉換器一直是工程師們追求的目標。今天，我們來深入探討一款由Power Integrations公司推出的150W LLC高壓DC - DC諧振轉換器的參考設計，它采用了HiperLCS? LCS702HG芯片，為我們展示了一種優秀的電源解決方案。

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一、設計概述

這份設計報告主要圍繞一款24V、150W的LLC DC - DC轉換器展開，使用了LCS702HG集成LLC功率級IC。該設計旨在作為通用測試平臺，展示HiperLCS系列設備的運行和性能。其輸入電壓范圍為300V - 420V DC，還需要一個12V的輔助電源。在典型系統中，高壓DC輸入通常由PFC級提供，而12V電源則來自系統偏置或備用電源。

設計特點

1. 低元件數量和成本：采用簡單的諧振（LLC）轉換器拓撲，將控制器、高端和低端MOSFET以及驅動器集成在一起，減少了元件數量和設計工作量。
2. 高頻運行：工作頻率高達250kHz，這使得變壓器鐵芯尺寸可以減小（采用EEL25），同時也縮小了轉換器的整體尺寸。此外，高頻運行還允許使用陶瓷輸出電容代替電解電容。
3. 高效率：在滿載時效率超過95%，在20%、50%和100%負載點的平均效率也超過95%。
4. 電容式電流檢測：采用電容式電流檢測技術，實現低功耗。
5. 突發模式：確保無負載時的電壓調節。

二、電源規格

三、電路描述

（一）初級電路

1. 核心芯片：集成電路U1集成了LLC諧振半橋（HB）轉換器所需的控制電路、驅動器和輸出MOSFET。U1的HB輸出通過一個阻塞/諧振電容（C11）驅動輸出變壓器T1。C11的額定值要能承受工作紋波電流和故障條件下的高電壓。
2. 變壓器設計：變壓器T1的設計泄漏電感為53μH，與諧振電容C11一起，根據公式(f{R}=frac{1}{6.28 sqrt{L{L} × C_{R}}})，將初級串聯諧振頻率設定在約278kHz。變壓器的匝數比通過調整初級匝數來設置，使得在標稱輸入電壓和滿載時的工作頻率接近但略低于諧振頻率。最終選擇250kHz的工作頻率，是在變壓器尺寸、輸出濾波電容（允許使用陶瓷電容）和效率之間取得的良好折衷。
3. 繞組選擇：初級使用AWG #44 Litz線，次級使用AWG #42 Litz線，這種組合在工作頻率（約250kHz）下提供了高效率。每種規格Litz線內的股數是在繞組適配性和銅損之間進行平衡選擇的。
4. 核心材料：選擇的核心材料是NC - 2H（來自Nicera），性能可接受（低損耗）。如果選擇更適合高頻運行的材料，如PC95（來自TDK），可以進一步降低核心損耗并提高效率。
5. 其他電路：D1、R6和C8組成自舉電路，為U1的內部高端驅動器供電；C20、R5和C1對+12V輸入進行濾波和旁路，作為U1的(V_{CC})電源；電壓分壓器R1 - R4設置U1的高壓開啟、關閉和過壓閾值；C9是+380V輸入的高頻旁路電容；C12與C11形成電流分壓器，用于采樣初級電流，R11檢測該電流，信號由R12和C7濾波；R10設置U1的死區時間為330ns，最大工作頻率為773kHz；R8和R9的串聯組合設置U1的最小工作頻率約為115kHz；光耦合器U2通過R20驅動U1的反饋引腳，C4對反饋引腳進行濾波。

（二）輸出整流電路

變壓器T1的輸出由D2和C14、C15進行整流和濾波。這些電容采用X5R電介質，經過精心選擇以滿足輸出紋波電流額定值。輸出整流器D2是一個60V肖特基整流器，具有高效率。通過將變壓器次級繞組的兩半交織（見變壓器構造細節），可以減少兩個次級繞組之間的泄漏電感，將最壞情況下的PIV降低到57V，從而可以使用60V肖特基二極管，提高效率。L1和C16提供額外的輸出濾波，C16還可以抑制LLC輸出阻抗在約30kHz處的峰值，改善對快速、高幅度負載階躍的響應。R13和R18以及U3的參考電壓設置電源的輸出電壓，誤差放大器U3通過R14驅動反饋光耦合器U2。C17、C19和R14、R16、R17、R21決定電源的增益 - 相位特性，這些值的選擇是為了在標稱和極端負載/輸入電壓組合下實現穩定運行。R15允許在光耦合器U2的LED中沒有電流流動時，U3中能夠有最小所需的工作電流。C10和R23是一個軟啟動網絡，用于消除開機時的輸出過沖。

四、PCB布局

PCB布局對于電源轉換器的性能至關重要。合理的布局可以減少電磁干擾（EMI），提高效率和穩定性。該設計的PCB布局考慮了元件的放置和布線，以確保良好的電氣性能。例如，將高頻元件靠近放置，減少布線長度，降低寄生電感和電容的影響。

五、物料清單

報告中詳細列出了設計所需的所有元件，包括電容、電阻、二極管、變壓器、IC等。每個元件都有其規格、制造商和型號，為工程師進行實際設計和采購提供了明確的指導。

六、變壓器設計

變壓器是LLC轉換器的關鍵部件之一。報告中的變壓器設計電子表格提供了詳細的設計參數和計算結果，包括輸入電壓、輸出電壓、頻率、電感、匝數比等。通過這些參數的設置和計算，可以優化變壓器的性能，確保轉換器的高效運行。

七、性能數據

（一）效率曲線

在不同負載（100%、50%、20%和10%）下測量了轉換器的效率，結果顯示在滿載時效率超過95%，平均效率也很高，體現了該設計的高效率特性。

（二）負載調節曲線

展示了在不同負載（100%、50%、20%、10%和0負載）下輸出電壓的變化情況，反映了轉換器在不同負載條件下的電壓調節能力。

（三）波形

包括半橋電壓和電流、輸出電壓啟動曲線、輸出欠壓、輸出過載、輸出二極管峰值反向電壓、短路、負載階躍響應和輸出紋波測量等波形。這些波形可以幫助工程師深入了解轉換器的工作狀態和性能。

八、溫度測量和增益 - 相位圖

溫度測量結果顯示了在380VDC、滿載、1小時浸泡條件下的溫度情況，為散熱設計提供了參考。增益 - 相位圖則反映了轉換器的頻率響應特性，有助于優化控制系統的性能。

九、總結與思考

這款150W LLC高壓DC - DC諧振轉換器參考設計展示了許多優秀的特性，如低元件數量、高效率、高頻運行等。對于電子工程師來說，在實際設計中可以借鑒這些優點，同時也需要根據具體應用需求進行適當的調整和優化。例如，在選擇核心材料時，可以考慮更高性能的材料以進一步提高效率；在PCB布局方面，可以進一步優化以減少EMI。大家在實際設計中是否也遇到過類似的設計挑戰呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。