探索LLC諧振變換器的二次側(cè)整流：SRK2000與EVLSRK2000的應(yīng)用與優(yōu)化

在電力電子領(lǐng)域，LLC諧振變換器憑借其高效、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)計(jì)中。而二次側(cè)同步整流（SR）技術(shù)的引入，進(jìn)一步提升了變換器的效率和性能。今天，我們就來(lái)深入探討一下基于SRK2000的LLC諧振變換器二次側(cè)整流技術(shù)，以及EVLSRK2000演示板的相關(guān)應(yīng)用。

文件下載：EVLSRK2000-D-40.pdf

一、EVLSRK2000演示板概述

二、SRK2000主要特性

1. 漏極MOSFET感應(yīng)與驅(qū)動(dòng)邏輯

SRK2000的核心功能是在相應(yīng)的變壓器半繞組開始導(dǎo)通時(shí)（即MOSFET體二極管開始導(dǎo)通）開啟同步整流MOSFET，并在電流接近零時(shí)關(guān)閉。它通過兩個(gè)引腳（DVS1和DVS2）感應(yīng)功率MOSFET的漏極電壓。當(dāng)電流ISR1開始流經(jīng)體二極管時(shí)，功率MOSFET漏源電壓變?yōu)樨?fù)，達(dá)到負(fù)閾值VTH.ON時(shí)，功率MOSFET開啟。開啟閾值可通過公式 (V{THON }=R{D} cdot I{D V S 1,2 O N}+V_{D V S 1,2 T H}) 設(shè)定。當(dāng)功率MOSFET開啟后，其漏源電壓下降，達(dá)到關(guān)斷閾值V_DVS1,2_Off時(shí)，功率MOSFET關(guān)閉。用戶可在IC啟動(dòng)階段通過對(duì)EN引腳進(jìn)行適當(dāng)偏置來(lái)選擇兩個(gè)不同的關(guān)斷閾值。

2. 漏極感應(yīng)優(yōu)化

漏極電壓感應(yīng)必須非常精確，以避免干擾并最小化影響它的寄生元件。功率MOSFET引腳的雜散電感、內(nèi)部鍵合和PCB走線會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電壓與實(shí)際 (R_{DS(on)}) 上的電壓降存在差異，從而導(dǎo)致功率MOSFET提前關(guān)斷?？赏ㄟ^在DVS引腳添加外部電容來(lái)部分補(bǔ)償這種誤差，但需注意避免過度延遲關(guān)斷，以免導(dǎo)致電流反向和轉(zhuǎn)換器故障。此外，寄生元件還會(huì)導(dǎo)致功率MOSFET開啟延遲，可通過在感應(yīng)電阻上并聯(lián)旁路二極管來(lái)解決。

3. 消隱時(shí)間

諧振變換器（尤其是LLC）的二次電流呈正弦形，這要求采用專門的邏輯方案處理同步整流。為避免在第一次過零后關(guān)斷，引入了消隱時(shí)間，SRK2000將消隱時(shí)間設(shè)置為每個(gè)半周期的50%。在輕載情況下，關(guān)斷閾值可能接近峰值電流，導(dǎo)致占空比出現(xiàn)亞諧波振蕩，SRK2000通過跟蹤開關(guān)周期設(shè)置消隱時(shí)間來(lái)減少這種影響。

4. 輕載運(yùn)行與睡眠模式

SRK2000具有智能自動(dòng)睡眠模式，內(nèi)部邏輯電路能夠檢測(cè)轉(zhuǎn)換器的輕載狀態(tài)并停止柵極驅(qū)動(dòng)，降低IC的靜態(tài)功耗，從而提高輕載時(shí)的轉(zhuǎn)換器效率。當(dāng)至少一個(gè)SR功率MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間低于測(cè)量半周期的40%時(shí)，IC進(jìn)入睡眠模式；當(dāng)兩個(gè)MOSFET的體二極管導(dǎo)通時(shí)間超過半周期的60%時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)重新啟用。

5. 使能引腳

EN引腳可用于遠(yuǎn)程啟用或禁用功率MOSFET驅(qū)動(dòng)。通過電阻分壓器將EN引腳連接到Vcc，可精確設(shè)置IC開始驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的最小Vcc電壓。此外，EN引腳還可用于設(shè)置SR功率MOSFET的關(guān)斷閾值。

三、電氣原理圖描述

演示板的原理圖假設(shè)在12V輸出轉(zhuǎn)換器上實(shí)現(xiàn)SR，并使用轉(zhuǎn)換器輸出作為SRK2000的電源總線。C502是連接在Vcc和SGND引腳之間的旁路電容，C503是從Vcc到PGND的旁路電容，R503、C502和C503構(gòu)成RC濾波器。R504和R505對(duì)EN引腳進(jìn)行偏置，設(shè)置Vcc使能電壓為10V，并將SR功率MOSFET的關(guān)斷閾值設(shè)置為 -12.5 mV。R506和R507將功率MOSFET的漏極連接到DVS1,2引腳，設(shè)置開啟閾值。

四、波形檢查進(jìn)行感應(yīng)優(yōu)化

1. 功率MOSFET關(guān)斷補(bǔ)償

根據(jù)SR功率MOSFET的 (R{DS(on)}) 和SRK2000的關(guān)斷閾值，可大致計(jì)算關(guān)斷電流 (I{OFF }=frac{V{D V S 1,2 OFF}}{R{DS( on )}}) 。但實(shí)際計(jì)算需考慮IC驅(qū)動(dòng)傳播延遲和 (R_{DS(on)}) 隨溫度的變化等因素?？赏ㄟ^在每個(gè)DVS引腳添加電容來(lái)延遲關(guān)斷，提高效率，但需注意避免過度延遲。

2. MOSFET開啟延遲補(bǔ)償

為避免因RC電路導(dǎo)致的開啟延遲，可在感應(yīng)電阻上并聯(lián)旁路二極管和串聯(lián)電阻，從而改善開啟延遲。

3. 亞諧波振蕩

在輕載情況下，關(guān)斷閾值接近峰值電流會(huì)導(dǎo)致占空比振蕩，SRK2000的50%消隱時(shí)間可限制振蕩寬度，避免輸出不穩(wěn)定。

五、如何在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)演示板

演示板用于在具有中心抽頭二次繞組的LLC諧振變換器中實(shí)現(xiàn)同步整流。如果轉(zhuǎn)換器采用二極管整流，需移除整流器并按特定方式連接演示板：將變壓器中心抽頭連接到轉(zhuǎn)換器輸出，將另外兩個(gè)二次輸出分別連接到引腳1、2、3和引腳11、12、13，將引腳4、5、9和10連接到二次地，中央引腳7用于為SRK2000供電，可連接到轉(zhuǎn)換器輸出，引腳6和8連接到EN引腳，可用于遠(yuǎn)程禁用IC。

六、功率損耗與熱設(shè)計(jì)

1. 功率損耗計(jì)算

以12V - 150W應(yīng)用為例，計(jì)算了二極管整流和SR情況下的功率損耗。在SR情況下，大部分損耗為傳導(dǎo)損耗，通過優(yōu)化MOSFET的開啟和關(guān)斷時(shí)序，可忽略體二極管的損耗。此外，還需考慮SRK2000的功耗。與二極管整流相比，采用SR可節(jié)省7.05W功率，效率提升4.7%。

2. 熱設(shè)計(jì)考慮

采用SR可顯著提高效率，減小轉(zhuǎn)換器二次側(cè)的尺寸。與二極管整流相比，SR所需的散熱片熱阻要求更低，甚至在某些情況下無(wú)需散熱片，僅需根據(jù)SRK2000數(shù)據(jù)手冊(cè)指示計(jì)算一定的銅面積。

七、布局考慮

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，需考慮以下幾點(diǎn)：

1. 盡可能縮短輸出電流回路，將SR MOSFET的漏極盡可能靠近變壓器終端連接。
2. 對(duì)稱布線兩個(gè)MOSFET漏極與變壓器端子之間的連接。
3. 將MOSFET源極靠近輸出電容接地端子連接。
4. 盡可能縮短連接MOSFET源極到SRK2000 PGND引腳的走線，并與負(fù)載電流返回路徑分開。
5. 使兩個(gè)SR MOSFET的源極端子盡可能靠近。
6. 設(shè)計(jì)PCB時(shí)盡可能保持幾何對(duì)稱，以確保電路電氣對(duì)稱。
7. 將SGND引腳通過最短路徑直接連接到PGND引腳。
8. 將漏極電壓感應(yīng)電阻盡可能靠近漏極端子連接。
9. 在Vcc與SGND和PGND之間使用旁路陶瓷電容，并將其盡可能靠近IC引腳放置。

八、物料清單

文檔提供了四種不同配置的EVLSRK2000演示板的物料清單，包括電容、二極管、MOSFET、電阻和IC等元件的詳細(xì)信息。

通過對(duì)SRK2000和EVLSRK2000演示板的深入了解，我們可以看到同步整流技術(shù)在LLC諧振變換器中的重要性和優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件和優(yōu)化電路，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源設(shè)計(jì)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。