半桥LLC谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案

LLC转换器建模和增益特性

LLC转换器可以通过一阶基波近似来描述。但只是近似，精度有限。而在Fs频率附近精度达到最高。

图3：LLC转换器的近似等效电路。

等效电路的传递函数为：

这其中，Z1和Z2与频率有关，由此可知LLC转换器的行为特性类似于与频率有关的分频器，负载越高，励磁电感Lm所受到的由交流电阻Rac产生的钳位作用就越大。这样一来，LLC储能电路的谐振频率就在Fs和Fmin之间变化。在使用基波近似时，实际的负载电阻必须修改，因为实际的谐振回路是由方波电压驱动的。

相应地，转换器的品质因数为：，特性阻抗为：

增益为：，Lm/Ls比为：

串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin分别为：

图4：标准化增益特性(区域1和区域2为ZVS工作区域，区域3为ZCS工作区域)

LLC转换器所需要的工作区域是增益曲线的右侧区域(其中的负斜率意味着初级MOSFET工作在零电压开关ZVS模式下)。当LLC转换器工作在fs=1(对于分立谐振回路解决方案而言)的状态下时，它的增益由变压器的匝数比来给定。从效率和EMI的角度来讲，这个工作点最具吸引力，因为正弦初级电流、MOSFET和次级二极管都得到优化利用。该工作点只能在特定的工作电压和负载条件下达到(通常是在满载和额定Vbulk电压时)。

增益特性曲线的波形及所需的工作频率范围由如下参数来确定：Lm/Ls比(即k)、谐振回路的特征阻抗、负载值和变压器的匝数比。可以使用PSpice、Icap4等任意仿真软件来进行基波近似和AC仿真。

图4：分立(a)和集成(b)谐振回路解决方案的仿真原理图。

对于LLC谐振转换器而言，满载时品质因数Q和Lm/Ls比k这两个因数的恰当选择是其设计的关键。这方面的选择将影响到如下转换器特性：
> 输出电压稳压所需的工作频率范围
> 线路和负载稳压范围
> 谐振回路中循环能量的大小
> 转换器的效率

要优化满载时的Q和k因数，效率、线路和负载稳压范围通常是最重要的依据。品质因数Q直接取决于负载，它是由满载条件下的谐振电感Ls和谐振电容CS确定的。Q因数越高，就导致工作频率范围Fop越大。Q值较高及给定负载时，特征阻抗就必须较低，因为低Q会导致稳压能力下降，且Q值很低的情况下LLC增益特性会退化到SRC。

而在k=Lm/Ls方面，它决定了励磁电感中存储多少能量。k值越高，转换器的励磁电流和增益也就越低；且k因数越大，所需的稳压频率范围也就越大。

在实践中，Ls(如集成变压器解决方案的漏电感)只能在有限的范围内取值，而且是由变压器的构造(针对所需的功率等级)和匝数比决定。然后，Q因数的计算由所需的额定工作频率fs确定。这之后，k因数也必须计算出来，以确保输出电压稳压(带有线路和负载变化)所需的增益。而在设定k因数时，可以让转换器在轻载时无法维持稳压--可以方便地使用跳周期模式来降低空载功耗。

对于半桥LLC谐振转换器的设计而言，还涉及到其它的一些重要因素，如初级电流和谐振电容的参数确定、次级整流设计和输出电容参数的确定、谐振电感的平衡性、变压器绕组参数的确定和变压器的制作等。这些进一步的设计信息可以联系安森美半导体获得。

安森美半导体的半桥LLC谐振转换器解决方案NCP1395/NCP1396

作为全球领先的高能效电源半导体解决方案供应商，安森美半导体提供的半桥LLC谐振转换器解决方案包括NCP1395和NCP1396控制器。NCP1396是一款更新的器件，内置驱动器。它们均为为构建可靠及稳固的谐振模式开关电源提供了所有必需功能，具有极低的待机能耗。它们的关键特性包括：50 kHz至1.0 MHz的宽广频率范围（NCP1395）、可调节的死区时间(dead?time)、可调节的软启动、可调节的最小和最大频率漂移、低启动电流、欠压检测、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性等。

NCP1396的独特架构包括一个500?kHz的压控振荡器，由于在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要，因此为了将转换器安排在正确的工作区域， NCP1396内置了可调节且精确的最低开关频率，通过专有高电压技术支持，这款控制器应用在能够接受高达600?V本体电压半桥式应用的自举 MOSFET驱动电路上。此外，可调整的死区时间可以帮助解决上方与下方晶体管相互传导的问题，同时确保一次端开关在所有负载情 况下的零电压转换(ZVS)，并轻松实现跳周期模式来改善待机能耗以及空载时的工作效率。

NCP1396/5具备多重保护功能，提供更好的电路保护，带来更安全的转换器设计而不增加电路的复杂度，NCP1396/5的各种强化保护功能包括有反馈环路失效侦测、快速与低速事件输入，以及可以避免在低输入电压下工作的电源电压过低侦测等。

面向各种多样化的电源应用设计，NCP1396提供有两种型号