LLC 谐振和准谐振反激式转换器对电源效率的提升

时间:2025-05-29

在当今电子设备飞速发展的时代,电源效率成为了一个至关重要的指标。交流输入电源,无论是独立式的还是集成在电子设备中的,都存在一定的能源浪费问题。一方面,电源效率无法达到 100%,部分能量会在电源大负载工作时被浪费;另一方面,当负载未使用时,连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。


近年来,对电源效率等级的要求愈发严格。如今,80% 以上的效率已成为基本标准,新倡议的能效标准更是要求达到 87% 及以上。而且,以往只在满负载下测量效率的方法已被淘汰,目前的新标准涉及额定负载的 25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点平均水平。同时,允许待机功耗也受到了更严格的限制,欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于 500mW,对于电视机则需小于 200mW。


在电子设备中,功率范围从 1W 到 500W 的交流输入电源,一直以来主要采用标准(或硬开关)反激式拓扑和双开关正激拓扑。这两种拓扑易于理解,业界也对其存在的问题及解决方法有充分认识。然而,随着对效率要求的不断提高,它们逐渐被准谐振反激式拓扑、LLC 谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑所取代。准谐振反激式拓扑已成功应用于功率级到 200W 以上的范围;在 70W - 100W 范围,LLC 谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效;在这两个功率级之上,不对称半桥转换器也表现出色。


工作原理


准谐振和谐振拓扑的优势在于能够降低电路中的导通开关损耗。图 1 对比了连续传导模式(CCM)反激式、准谐振反激式和 LLC 谐振转换器的导通开关波形。所有情况下的开关损耗都由公式  表示,其中  为开关损耗, 为漏极电流, 是开关上的电压, 是等效输出电容值(包括杂散电容效应), 是导通时间, 是开关频率。


CCM 反激式转换器的开关损耗。在输入电压范围较宽的设计中, 约为 500V - 600V,是输入电压  与反射输出电压  之和。进入不连续传导模式(DCM)时,漏电流降为零,开关损耗的项也随之降为零。在准谐振转换器中,若在电压波形的个(或后一个)波谷时导通,可进一步降低损耗。例如,若准谐振反激式转换器的匝数比为 20,输出电压为 5V,则  等于 100V,对于 375V 的总线电压,开关将在 275V 时导通。若有效输出电容  为 73pF,开关频率  为 66kHz,则损耗为 0.18W;而标准 CCM 反激式转换器在坏情况下,损耗将为 0.54W。因此,非连续模式反激式转换器的功耗在 0.18W 和 0.54W 之间波动,具体取决于输入电压和输出电流等因素。


谐振转换器采用零电压开关(ZVS)技术来降低开关损耗。通过让电流反向流经开关,体(body)(或外部反向并联)二极管把电压钳位在一个低值,远低于反激式转换器的电压。谐振转换器利用谐振电路产生延时,两个 MOSFET 产生方波并加载在谐振电路上。通过选择合适的谐振电路,并将工作点设置在谐振点之上,流入谐振电路的电流可接近正弦波,从而实现零电压开关。


结构


准谐振转换器的电路示意图与反激式转换器类似,但带有一个帮助确定电压谷底时序的检测电路。LLC 谐振转换器的模块示意图与双开关正激转换器截然不同。其名称中的 “LLC” 源于谐振电路由变压器的磁化电感()、变压器的漏电感()和谐振电容()三个组件完成工作。大漏电感的需求意味着需要额外的电感或特殊的变压器线圈缠绕方式。LLC 谐振转换器在初级端有半桥结构,无需二极管,还带有谐振电容,以及两个输出二极管与中心抽头变压器的输出相连,将谐振电路的交流输出整流为直流级,无需双开关正激应用所需的大输出电感。


对于给定的功率级,准谐振反激式变压器尺寸,因为它先将能量存储在初级侧,再转移到次级侧。双开关正激转换器在开关导通时将能量从初级侧转移到次级侧,且只使用一个磁极方向。而 LLC 转换器使用两个方向,在相同功率级下尺寸更小。


频率和增益


准谐振和 LLC 谐振开关的优势是降低导通损耗,但缺点是频率随负载减小而增大,导致关断损耗变得严重,在轻载时会降低效率。很多准谐振芯片采用 “频率钳位” 技术来提高轻载效率,很多 LLC 谐振转换器芯片具有突发模式功能,可降低极轻负载下的功耗。此外,建议加入采用 FSQ510 这类器件的辅助电源,以保持低待机功耗。


LLC 谐振转换器的增益动态范围非常有限。图 3 展示了其增益特性与频率及负载的关系。虽然其频率随负载变化较小,但增益动态范围在 1.0 到 1.4 之间,不太适用于常见的输入电压范围。不过,通过精心设计实现保持时间条件,可用于欧洲的输入范围。LLC 谐振转换器通常与功率因数校正级一起使用,以获得调节良好的输入电压。增大漏电感与磁化电感的比值可增加增益动态范围,但会降低轻载效率。


应用


准谐振反激式转换器的实际工作范围从超低功率级到 100W 左右,具有 EMI 小的优势。其 7W/12V 电源满负载效率约为 80% 多,70W/22V 电源满负载效率超过 88%。LLC 谐振转换器的实际工作范围从 70W 左右到 500W 以上,带有 PFC 前端的易于实现 200W - 420W 的电源,典型峰值效率在 90% 到 95% 之间。

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