LLC谐振半桥DC-DC电路设计

杨 磊，吴晓光，羊 彦

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

LLC谐振变换器理论上可实现初级开关管零电压开通（ZVS）[1]，且关断电流较小，次级整流管可实现零电流开断（ZCS）的特点，它既吸取串联谐振变换器谐振槽路电流随负载轻重而变化、轻载时效率较高的优点，又兼具并联谐振变换器在空载下也能稳定工作的特点。因此，LLC谐振变换器是一种比较理想的谐振变换器拓扑，对其进行研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 半桥变压器设计

图1为谐振半桥原理图。

2 谐振参数确定

大功率LED的驱动电源要求恒流输出，而LED灯芯工艺的差别导致导通压降不同，因而驱动电源要求具有宽的输出电压范围。此时在选择LLC谐振电路的工作区时有2种方式，方式一是将电路工作区放在LLC谐振的工作区I，方式二是将电路工作区放在LLC谐振[2]的工作区I和工作区II。前者的电路工作的谐振点处于输出电压最低点而输入电压最高时，这就要求谐振网络的增益函数陡峭，k值和Q值被迫选择较小的值以确保增益，谐振变换器效率因此下降，但这种方式下电路的工作频率范围较小。方式二的电路谐振点放在输出电压的中间值上，这样谐振网络的增益函数相对前者平缓，k值和Q值可以选取的较大，但是工作频率范围却变得很大，如图2所示。

图1 LLC谐振半桥原理图Fig.1 LLC resonant half-bridge principle diagram

图2 LLC谐振半桥工作区选择示意图Fig.2 LLC resonant half bridge work area chose schematic

针对这一问题FSFR2100芯片的跳周期功能提供了一个较好的解决办法。首先选择上述第二种工作模式，然后使用FSFR2100芯片的频率限制功能来限制工作频率范围，这样当要求的输出电压低时而反馈达不到要求，芯片此时进入跳周期工作模式，从而在满足输出电压大范围变化的条件下使谐振网络的增益函数相对平缓，工作频率范围可控。为保留有一定余量，利用峰值增益Mpk的的1.2倍选取k和Q值，在峰值增益曲线[3]上根据1.2Mpk=1.54，如图3所示，选取一组k值和Q值，k=6，Q=0.3。其具体选择效果如图3所示。

3 控制电路设计

图3 LLC谐振网络峰值增益曲线Fig.3 LLC resonant network peak gain curve

Fairchild公司FSFR系列是一种高度集成的电源开关，专为高效率半桥谐振变换器设计。FSFR系列控制芯片内部集成了MOSFET和快速恢复体二极管，具有高边栅极驱动电路，精确的电流压控振荡器，频率限制电路，软启动和内置保护功能。其中高边栅极驱动电路有共模噪声消除能力，具有卓越的抗干扰能力，保证电路的稳定运行。MOSFET的快速恢复体二极管提高了异常操作条件下的可靠性，同时减少了反向恢复的影响。

FSFR2100是FSFR系列中面向高功率应用的产品，控制芯片在无需散热器的条件下可以实现200 W的输出功率。其主要特点有：固定50%占空比的变频控制[4]，固定死区时间为350 ns，内部快恢复体二极管恢复时间120 ns，最高可达300 kHz的工作频率，轻载条件下可进入跳周期工作模式，具有多重保护功能。芯片的内部原理框图如图4所示。

图4 芯片内部结构图Fig.4 Chip internal structure

引脚VDL上侧MOSFET的漏极，通常连接到输入的直流高压；引脚CON启用/禁用和保护，当此引脚电压高于0.6 V时，IC工作启动，下降到低于0.4 V时，上下两个MOSFET的驱动关断，当这一引脚电压高于5 V时，触发保护；引脚RT控制开关频率，通常连接到光耦构成反馈回路；引脚CS采样下侧MOSFET的导通电流，通常为负压检测；引脚SG控制信号地；引脚PG功率地，与下侧MOSFET的源极连接；引脚LVcc控制芯片的电源；引脚HVcc上侧MOSFET驱动电路电源；引脚VCTR低边MOSFET的漏极，通常与变压器连接。

4 芯片供电电路

整个LED驱动电源的芯片自供电路如图5所示，IN表示整流桥后的正电压。当电路上电时IN电压升高，电压经电阻 R39，R40，R41将 MOSFET Q5 的栅极电压抬高，Q5 导通，IN直接由R46，Q5，D8给电源电容C26充电，电源电压VCC逐步建立，从而PFC芯片和FSFR2100芯片开始工作，整个电路工作起来。电路工作起来后，变压器供电绕组得到一个输出电压，经过Q4，R45和ZD4的稳压电路后得到电源电压VCC，同时通过R36，ZD3导通Q6，拉低Q5栅极电压，Q5关断。其具体电路如图5所示。

图5 LED驱动电源的芯片供电电路Fig.5 LED driver chip power supply circuit

5 过流检测电路

FSFR2100芯片以负电压形式检测低端MOSFET的漏极电流[5]，检测电流的方式有2种，其中半波检测方式检测电阻产生功耗低，全波检测方式的检测信号具有较低开关噪声但功耗大。设计的LED驱动电源电路使用的是半波检测电路如图6所示，为了滤除检测信号[6]中的开关噪声，检测端采用了RC低通滤波器，低通滤波器的RC时间常数应该为开关周期的 1/100～1/20。

图6 过流检测电路Fig.6 Overcurrent detection circuit

6 结束语

文中主要介绍了LED驱动电源后级DC-DC恒流[7]部分的设计方法，电路采用Fairchild公司FSFR2100的设计方案，文中在对FSFR2100工作原理分析的基础上，给出了主要电路设计过程。对于恒流工作条件下LLC谐振半桥变压器[8]的设计方法做了详细讨论，实验结果完全符合设计要求。

[1]Steigerwald R L.A Comparison of Half Bridge Resonant Converter Topologies[C].In:IEEE Trans on Power Electronics，1988:174-182.

[2]Bo Yang.Topology investigation for front end DC/DC power conversion fordistributedpower system[D].Virginia Polytechnic Institute University PhD Dissertation，2003.

[3]Bo Yang，Lee F C.LLC Resonant Converter for Front-End DC/DC Conversion[C]//In：Proceeding of IEEE APEC02 ，2002：1108-1112.

[4]ST Microelectronics.An introduction to LLC resonant halfbridge converter:An2644.[EB/OL].（2008-09）.http://www.st.com/internet/com/TECH-NICALRESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00174208.pdf.

[5]ST Microelectronics.LLC resonant half-bridge converter design guideline:AN2450[EB/OL].（2007-03）.http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00143244.pdf.

[6]Lu B，Liu W，Liang Y.Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter[C]//IEEE Conference on Applied Power Electronics，2006:110-116.

[7]关永伟.带PFC预调节器的LLC谐振电源的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2009.

[8]周伟成.3 kW LLC谐振式模块化通信电源[D].杭州：浙江大学，2007.