前工程师讲解：开关电源设计-LLC电源

       很多最初接触电源的朋友，都是从开关电源设计来进行入门学习的。期间不仅要查阅大量的资料，还要对这些资料进行筛选和整理，比较耗费时间和精力。为此，小编将一名前工程师的开关电源设计经验进行了整理，希望能帮助大家加快自学的步伐。

      原本在本篇文章当中将为大家讲解关于EMI、尖峰电压处理等方面的知识，但是这些知识的整体思路在开关电源的各类拓扑当中都是互通的，所以转而对主拓扑进行介绍。

      LLC开关电源设计

      Buck、Boost、Forward都是PWM模式的开关电源，他们有一个共同的缺点，就是开关交叉损耗永远都存在的，怎么都避免不了。有关“开关损耗”，网络上里有大把的专业资料，大家可以去下载，这里就不再赘述。

      开关电源的优势就是把直流电压（交流输入也是先进行整流）经过高频开关进行高频逆变，方便我们使用高频变压器或者高频电感进行电压、电流的变换。经过高频化处理以后，磁性元件就会变得很小，电容的纹波电流也会变得很小，所以现在看到的开关电源，在体积重量还有成本方面，都全面超越了老式的线性电源。

      随着技术的进一步提高，各种电子设备，对开关电源的体积性能有了越来越高的要求，然后人们就开始研究消除或者减小开关损耗的方法。出现了各种各样的技术，比如有源钳位、准谐振技术、移相全桥、谐振开关电源，因为现在市面上应用最广泛的是LLC结构的谐振式开关电源，所以这里就讲一下LLC谐振开关电源。LLC其实一点都不神秘，最早诞生于美国，已经存在了多年。但是因为专利问题，在近几年才在国内流行起来。

      电阻分压

图1

图2

      Zc=1/（2*pi*f*c）f交流频率c电容容值

      Zl=2*pi*f*lf交流频率l电感量

图3

经过图1、图2、图3的对比，可以发现其实LLC一点都不复杂。说白了跟电阻分压电路一样，只不过纯电阻电路，电阻阻值是一个常数，LLC电路利用的是电抗（阻抗，感抗，容抗）来进行分压，因为感抗，容抗的大小都是频率f的函数，所以随着频率的变化，感抗、容抗的大小就会跟随着变化，励磁电感上的交流分压可以由驱动频率来进行调整，传输到次级经过整流，就是我们需要的输出电压了。

      至于为什么实现了零压开通，这正是利用了交流电路里面电流电压之间，相位角会随着频率发生变化这一特性，如果始终保证LLC谐振腔工作在感性区域，那么我们就始终保证了谐振腔电流滞后于电压一定的相位角。

      这东西真的不复杂，建议大家找一些正弦交流电的知识看一下，重点是正弦交流电电流电压之间的关系。

      关于具体的具体LLC设计流程推荐大家去看郭春明的作品，虽然在参数上出现了笔误，但是过程是非常值得学习的，简洁明快。

      LLC最大的好处就是，很现实的实现了零电压开通，在大部分工作频率上，实现了零电流关断（也不完全是零电流，始终关断电流无法小于励磁电流），比传统的PWM模式峰值电流管段关断损耗好了非常多。

      这样做的好处是：

      频率可以跑的很高，4000W等级的工业电源，谐振频率120K，最高频率300K，这也是很普通的参数，但是电源整体体积还是小了不少。频率高了磁性元器件体积就小了，电解电容也可以用的小一些，为什么电解电容会小，请大家自行查阅电解电容纹波电流相关知识。

      效率高，交叉损耗小了很多，效率自然就提高了，效率高了，散热片体积也变小很多。

下面是对工作波形的比较：

图4

上面举一个PWM电流连续模式的DS电压电流对应波形，电流下降沿、电压上升沿展开，会看到电压电流有交叉的部分，在同一个时间段内，同时存在电压和电流，P=U*I。那就是损耗，损耗跑哪里去呢？都变成热量在Mos管上烧掉了，所以我们的Mos管上，经常会看到一大块儿铁——散热片。

      这就牵扯出交叉损耗的问题，这个需要比较专业的讲解，碍于篇幅大家可以去网络上自行搜索，有大把的资料。

      由于交叉损耗的存在，限制了PWM模式开关电源工作频率的进一步提高。交叉损耗也就是开关管在开通和关断时候，电压电流有重叠的一部分产生的，那么P=U*I。那么，大家就要注意两个关键参数，重叠部分的电压，重叠部分的电流，总损耗是这两个的积。

      LLC基本工作波形

      大家都应该听说过LLC有三个工作区域，欠谐振工作区域（Boost区），其中的波形：

图5

手画详细解释一下上图：

      下面根据图5，在图7当中进行了详细的讲解。不过上面图少了Vds。注意看纵向的参考线、各个波形的时序、注意驱动、电流、死区时序。

图6

     如图6所示，注意驱动上升沿、下降沿、对应电流。

图7

如图7所示，零压开通波形，注意标出的Vds波形，Vds在驱动到来之前，已经为零。

图8

上管开通，注意谐振电感、励磁电感、谐振电容的正负。

图9

      注意去理解上管Mos开通，励磁电感两端电压被钳位了，钳到n*（Vout-Vf）。这个过程大家一定要自己想明白。n是变比，Vf是二极管正向压降。

图10

 注意不同颜色画的驱动、Vds、电流波形。谐振腔电流红色的是谐振腔总电流，紫色的是励磁电流，因为次级二极管导通，Lm端电压被钳位到n*（Vout-Vf）,所以励磁电流是线性上升的。

      次级电流应该是谐振腔总电流减去励磁电流那一部分。平台是因为谐振腔总电流开始小于励磁电流，次级二极管不再导通，Lm不再被钳位，Lm也参与了谐振，平台其实是个假象，那也是一段正弦波，频率由Cr、（Lm+Lr）来决定。谐振回路总电感变大了，谐振频率变低了，所以正弦波一部分看起来像一条直线。

图11

注意不同颜色的字，方框对应不同颜色的波形，可以参照网上的资料自己对比。

      LLC主要分两种，一种是主变集成了谐振电感Lr的一体式主变，Lr使用主变的漏感来做的。这一种说它是耦合电感也不为过。还有一种就是Lr谐振电感是使用独立的磁芯做的一个独立电感。这一种比较倾向于变压器，但是在变压器工作在低于谐振点时候，励磁电感Lm有一段是要参与谐振的。

      关于LLC电源的讲解到此结束，希望阅读过本系列文章的电源新手能够有所收获，从技术达人分享的经验当中得到自己想要的知识。