150W LLC高壓DC - DC諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計報告

在電子電源設(shè)計領(lǐng)域，高效、緊湊且成本低廉的電源轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。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(zhuǎn)換器的參考設(shè)計，它采用了HiperLCS? LCS702HG芯片，為我們展示了一種優(yōu)秀的電源解決方案。

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一、設(shè)計概述

這份設(shè)計報告主要圍繞一款24V、150W的LLC DC - DC轉(zhuǎn)換器展開，使用了LCS702HG集成LLC功率級IC。該設(shè)計旨在作為通用測試平臺，展示HiperLCS系列設(shè)備的運(yùn)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(tǒng)中，高壓DC輸入通常由PFC級提供，而12V電源則來自系統(tǒng)偏置或備用電源。

設(shè)計特點

1. 低元件數(shù)量和成本：采用簡單的諧振（LLC）轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，?a target="_blank">控制器、高端和低端MOSFET以及驅(qū)動器集成在一起，減少了元件數(shù)量和設(shè)計工作量。
2. 高頻運(yùn)行：工作頻率高達(dá)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(zhuǎn)換器的整體尺寸。此外，高頻運(yùn)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(fù)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(shù)，實現(xiàn)低功耗。
5. 突發(fā)模式：確保無負(fù)載時的電壓調(diào)節(jié)。

二、電源規(guī)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(zhuǎn)換器所需的控制電路、驅(qū)動器和輸出MOSFET。U1的HB輸出通過一個阻塞/諧振電容（C11）驅(qū)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(shè)計：變壓器T1的設(shè)計泄漏電感為53μH，與諧振電容C11一起，根據(jù)公式(f{R}=frac{1}{6.28 sqrt{L{L} × C_{R}}})，將初級串聯(lián)諧振頻率設(shè)定在約278kHz。變壓器的匝數(shù)比通過調(diào)整初級匝數(shù)來設(shè)置，使得在標(biāo)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(guī)格Litz線內(nèi)的股數(shù)是在繞組適配性和銅損之間進(jìn)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(yùn)行的材料，如PC95（來自TDK），可以進(jìn)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(nèi)部高端驅(qū)動器供電；C20、R5和C1對+12V輸入進(jìn)行濾波和旁路，作為U1的(V_{CC})電源；電壓分壓器R1 - R4設(shè)置U1的高壓開啟、關(guān)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(shè)置U1的死區(qū)時間為330ns，最大工作頻率為773kHz；R8和R9的串聯(lián)組合設(shè)置U1的最小工作頻率約為115kHz；光耦合器U2通過R20驅(qū)動U1的反饋引腳，C4對反饋引腳進(jìn)行濾波。

（二）輸出整流電路

變壓器T1的輸出由D2和C14、C15進(jìn)行整流和濾波。這些電容采用X5R電介質(zhì)，經(jīng)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(gòu)造細(xì)節(jié)），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(fù)載階躍的響應(yīng)。R13和R18以及U3的參考電壓設(shè)置電源的輸出電壓，誤差放大器U3通過R14驅(qū)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(biāo)稱和極端負(fù)載/輸入電壓組合下實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)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(wǎng)絡(luò)，用于消除開機(jī)時的輸出過沖。

四、PCB布局

PCB布局對于電源轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。合理的布局可以減少電磁干擾（EMI），提高效率和穩(wěn)定性。該設(shè)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(xì)列出了設(shè)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(guī)格、制造商和型號，為工程師進(jìn)行實際設(shè)計和采購提供了明確的指導(dǎo)。

六、變壓器設(shè)計

變壓器是LLC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵部件之一。報告中的變壓器設(shè)計電子表格提供了詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)和計算結(jié)果，包括輸入電壓、輸出電壓、頻率、電感、匝數(shù)比等。通過這些參數(shù)的設(shè)置和計算，可以優(yōu)化變壓器的性能，確保轉(zhuǎn)換器的高效運(yùn)行。

七、性能數(shù)據(jù)

（一）效率曲線

在不同負(fù)載（100%、50%、20%和10%）下測量了轉(zhuǎn)換器的效率，結(jié)果顯示在滿載時效率超過95%，平均效率也很高，體現(xiàn)了該設(shè)計的高效率特性。

（二）負(fù)載調(diào)節(jié)曲線

展示了在不同負(fù)載（100%、50%、20%、10%和0負(fù)載）下輸出電壓的變化情況，反映了轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載條件下的電壓調(diào)節(jié)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(fù)載階躍響應(yīng)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(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)和性能。

八、溫度測量和增益 - 相位圖

溫度測量結(jié)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(shè)計提供了參考。增益 - 相位圖則反映了轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)特性，有助于優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能。

九、總結(jié)與思考

這款150W LLC高壓DC - DC諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計展示了許多優(yōu)秀的特性，如低元件數(shù)量、高效率、高頻運(yùn)行等。對于電子工程師來說，在實際設(shè)計中可以借鑒這些優(yōu)點，同時也需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。例如，在選擇核心材料時，可以考慮更高性能的材料以進(jìn)一步提高效率；在PCB布局方面，可以進(jìn)一步優(yōu)化以減少EMI。大家在實際設(shè)計中是否也遇到過類似的設(shè)計挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。