LLC變換器通訊電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 維，尹 斌

（河海大學(xué) 能源電氣學(xué)院, 江蘇 南京 211100）

諧振變換器具有很多優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)頻率高應(yīng)力小、關(guān)斷損耗小、EMI噪聲小、重量輕、體積小、效率高。LLC諧振電源易實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管ZVS，次級二極管ZCS，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的關(guān)注。文中介紹了LLC諧振變換器的工作原理和工作特性，并介紹了電流脈寬型控制芯片UC3846以及其外圍控制電路設(shè)計(jì)，并將其控制電路運(yùn)用于LLC諧振電源中。

1 UC3846芯片介紹及原理

UC3846是電流脈寬型調(diào)制芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1，電流模式控制的特點(diǎn)是電感電流隨著輸入電壓與輸出電壓的比值變化而變化，所以UC3846具有帶載響應(yīng)特性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，線電壓調(diào)節(jié)率得到極大改善，補(bǔ)償電路更簡單優(yōu)化。該調(diào)制芯片具有自動前饋補(bǔ)償、推挽輸出結(jié)構(gòu)下自動對稱校正、大電流圖騰柱式輸出、并聯(lián)運(yùn)行下模塊系統(tǒng)、外部關(guān)斷、可編程控制逐個(gè)脈沖抑制以及死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)等功能，并且內(nèi)置了軟啟動電路和欠電壓鎖定電路，工作頻率高500 kHz[1]。

腳1為限流調(diào)整端；腳2為基準(zhǔn)電壓輸出端，基準(zhǔn)電壓為5.1V；腳3為電流檢測放大器的反相輸入端；腳4為電流檢測放大器的同相輸入端；腳5和腳6為誤差放大器的同反相輸入端；腳7為誤差放大器輸出，可與6腳組成電壓調(diào)節(jié)器，其外圍電路通常接成PID電路；腳8為振蕩器的外接電容端；腳9為振蕩器的外接電阻端；腳10為同步端；腳11和腳14為PWM脈沖的A、B輸出端，兩路為互補(bǔ)輸出端；腳12為地；腳13為集電極電源端；腳15為控制電源輸入端；腳16為外部關(guān)斷信號輸入端[2]。

2 UC3846外圍電路及分析

圖1 UC3846內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The internal structure of the UC3846

圖2 UC3846的外圍電路Fig. 2 Peripheral circuits of the UC3846

高功率的開關(guān)電源的輸出濾波電容一般比較大，如無軟啟動，剛剛開機(jī)時(shí)就會產(chǎn)生很大的充電電流，不僅會導(dǎo)致過流保護(hù)電路的誤操作，還會使功率開關(guān)管過流損害，甚至開關(guān)管爆炸，為了避免由此引起的誤操作，所以外圍電路必須具有軟啟動功能，如圖2，C1、R3和R4構(gòu)成了開機(jī)軟啟動電路。當(dāng)開關(guān)電源開機(jī)時(shí)，1腳的電壓低于0.5 V，11腳和14腳無脈寬輸出，R3和R4分壓為1腳提供了給定電壓，隨著C1的電壓升高，輸出脈寬逐漸變寬，實(shí)現(xiàn)了軟啟動功能。IF為電流反饋信號，改變4腳的電壓變化率可以改變11腳和14腳的輸出脈寬，而4腳的電壓變化率通過對C11的不斷充放電來實(shí)現(xiàn)。IF通過R16和R17給電容C11提供充電電壓。C8、R10構(gòu)成斜坡補(bǔ)償，增加UC3846工作時(shí)的穩(wěn)定性。UF為電壓反饋信號，6腳和7腳短接組成電壓跟隨器，增加電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，電路中VCC通過R8、R9給電壓比較器LM339的同向端一個(gè)給定信號，R6、R2、C3、C4構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，用于補(bǔ)償閉環(huán)增益和進(jìn)行頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)。

3 LLC諧振變換器工作原理

圖3 LLC不對稱半橋變換器主電路Fig. 3 Main circuit of LLC asymmetrical half-bridge inverter

LLC諧振電源易實(shí)現(xiàn)零電壓開通，零電流關(guān)斷，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，很受關(guān)注。圖3為LLC諧振半橋電源原理圖。主電路中，Vin為輸入電壓，可由交流電壓整流獲得，S1和S2為主開關(guān)管，其驅(qū)動信號是由占空比固定為0.5的互補(bǔ)驅(qū)動信號，諧振電感Lr，諧振電容Cr，勵(lì)磁電感Lm組成了一個(gè)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，該諧振網(wǎng)絡(luò)連接在半橋的中點(diǎn)和地之間，因此諧振電容也起到隔直的作用，防止由直流引起的變壓器偏磁[3-6]。

4 主要元件參數(shù)計(jì)算

輸出功率：P0=240 W；最大輸入電壓：Vin_max=380 V ；最小輸入電壓：Vin_max=280 V ；額定輸入電壓：Vin_max=360 V ；輸出電壓電流：Vo= 48 V，Io= 5 A ；輸出二極管電壓壓降：Vof= 0.7 V ；諧振頻率：Fr= 80 kHz 。

1）計(jì)算理論變壓器匝數(shù)比N：

選擇實(shí)際變比：N= 4

2）計(jì)算最高、最低輸入電壓增益Mmin、Mmax：

3）選取k計(jì)算Q：

4）計(jì)算工作頻率：

輸入電壓最小且滿載時(shí)，工作頻率最小：

輸入電壓最大且滿載時(shí)，工作頻率為：

輸入電壓最大且空載時(shí)，工作頻率最大：

5）計(jì)算Lm、Lr、Cr：

根據(jù)以上的計(jì)算，主開關(guān)管采用2SK2765型MOSFET，次級整流二極管選用SF164型超快恢復(fù)二極管，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：Lr= 0.107 mH，Cr= 3 MF，Lm= 0.428 mH。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

按照以上分析和參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)了一臺240 W的半橋諧振型電源樣機(jī)，設(shè)定輸出電壓為48 V，額定輸出電流5 A。圖4和圖5是在空載和加負(fù)載的情況下變壓器原邊電壓及原邊電流的實(shí)測波形。測試結(jié)果表明，電壓調(diào)整率和原邊電流均達(dá)到設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)，即達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖4 空載時(shí)變壓器原邊電壓與原邊電流Fig. 4 Primary voltage and primary current of transformer when no-load

圖5 加負(fù)載5A時(shí)變壓器原邊電壓與原邊電流Fig. 5 Primary voltage and primary current of transformer plus load 5A

6 結(jié)束語

文中通過分析LLC半橋諧振電路的原理，設(shè)置了勵(lì)磁電感、諧振電感電容的參數(shù)。采用UC3846設(shè)計(jì)了諧振電源的控制外圍電路，很好地完成了電壓和電流檢測的功能。最終在240 W的樣機(jī)上進(jìn)行測試，證明了該方法的有效性與實(shí)用性。

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