准谐振和谐振转换-两种提高电源效率的技术

LLC谐振转换器的模块示意图与双开关正激转换器截然不同。其之所以名曰“LLC”，是因为谐振电路的工作由3个组件来完成：变压器的磁化电感 (Lm)、变压器的漏电感 (Llk) 和谐振电容 (Cr)。对大漏电感的需求意味着必须一个额外的电感，或者是变压器的线圈需以增加漏电感的方式进行缠绕，以使其增大。LLC谐振转换器在初级端有一个半桥结构，但与双开关正激转换器不同的是，它不需要任何二极管。此外，还带有一个双开关正激转换器所没有的谐振电容，以及两个输出二极管与中心抽头变压器的输出相连。这些配置把谐振电路的交流输出整流为直流级，双开关正激应用所需的大输出电感在这里就不再需要了。

对于给定的功率级，准谐振反激式变压器的尺寸是最大的，因为它先把所有能量存储在初级侧，然后再将之转移到次级侧。双开关正激转换器则不然，它是在开关导通时把能量从初级侧转移到次级侧。和反激式转换器一样，双开关正激转换器也只使用一个磁极方向。LLC转换器却使用两个方向，所以在其它条件相同的情况下，对于给定的功率级，它的尺寸更小，无需考虑额外的漏电感或者是在变压器中包含的漏电感。

频率和增益

准谐振和LLC谐振开关的优势都包括了降低导通损耗，但缺点是频率随负载减小而增大。两种转换器的关断损耗都随频率的增大而变得严重。

这里，tOFF是关断时间，在轻载时上述效应会降低效率。飞兆半导体的准谐振FPS? 功率开关产品系列，比如FSQ0165RN，采用了一种特殊技术“频率钳位” (frequency clamp) 来弥补准谐振控制器固有的这种缺陷。控制器只需等待最短时间，对应最大频率，然后开关在下一个波谷时导通，这种方法可以提高轻载下的效率。FPS? FSFR2100 LLC 谐振转换器和包括FSQ0165RN在内的产品系列都具有突发模式功能，可降低极轻负载下的功耗。对于FSFR2100，如果系统需要，建议加入一个采用了FSQ510这类器件的辅助电源，以保持低待机功耗。

LLC 谐振转换器的另一个局限性是它的增益动态范围非常有限。图3所示为一个LLC 转换器的增益特性与频率及负载的关系。这种拓扑之所以广受欢迎是由于其频率随负载变化的改变较小，在100kHz的谐振频率上限，频率不随负载变化而改变。不过，它的增益动态范围很小，在1.0到1.4之间，如果1.2的增益代表一个220VAC输入电压的系统获得所需输出电压的增益，则动态范围允许189VAC 到 264VAC的输入电压范围。因此，这种拓扑不太可能适用于常见的输入电压范围，但只要通过精心设计来实现保持时间 (hold-up time) 的条件，就可以用于欧洲的输入范围。LLC谐振转换器通常与功率因数校正级一起使用，后者可为LLC转换器提供调节良好的输入电压。

通过增大漏电感与磁化电感的比值，可以增加增益动态范围，但代价是轻载效率因磁化电流变大而降低。实际上，这是通过采用第二个电感来实现的，因为如果漏电感太大的话，要获得可重复的漏/磁化电感比值是有实际限制的。

图3：LLC谐振转换器增益曲线示例

应用

准谐振反激式和 LLC 谐振转换器在嵌入式交流输入电源中的应用越来越广泛。

准谐振转换器的实际工作范围上从超低功率级到100W左右。对于集成式解决方案，7W/12V 电源的满负载效率约为81%；而对采用了带外部MOSFET的准谐振转换器的70W/22V电源，满负载效率则超过了88%。前者的待机功耗远低于150mW，后者的则小于350mW。采用较低的输出电压，效率必然会迅速降到上述水平之下。一个5W/5V的电源将在输出二极管上消耗至少10% 的额定输出功率。

准谐振拓扑还有一个好处是EMI远小于硬开关应用的，其频率将随400V输入电容上的纹波而变化，导致自然的频谱扩展。此外，由于开关行为在较低电压时发生，开关噪声减小，故共模EMI噪声也相应减小。

LLC谐振转换器的实际工作范围从70W左右到500W以上，带有一个PFC前端的FSFR2100已用于实现200W 到420W的电源。对于高达200W的应用，一般无需使用FSFR2100上的散热器，但通常建议在输出端使用一些肖特基二极管，而这些往往需要散热器。此外，也可以采用同步整流方法，这时因为采用了MOSFET (虽然MOSFET的控制信号不易产生)，因此无需散热器。对于采用了肖特基二极管的应用，典型的峰值效率依照输入电压、输出电压和输出功率情况，大约在90%到95%之间。