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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和PCB布局
電路設(shè)計(jì)中DC-DC轉(zhuǎn)換器可能很難設(shè)計(jì)，甚至可能很危險(xiǎn)，尤其是當(dāng)我們考慮使用具有高電流輸出的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)。在各種類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器及其拓?fù)渲校@些轉(zhuǎn)換器是高功率系統(tǒng)（如LED電池組，設(shè)備，臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器電源以及許多其他功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）的關(guān)鍵部分。
一旦您了解了實(shí)現(xiàn)反饋環(huán)路的控制算法和方法，LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)就會(huì)顯示出其價(jià)值。您可以實(shí)現(xiàn)與降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相同的控制算法，以適應(yīng)具有下垂或過(guò)大紋波的電源。當(dāng)您準(zhǔn)備為這些系統(tǒng)創(chuàng)建PCB布局時(shí)，應(yīng)牢記一些安全性，熱量管理和噪聲抑制方面的知識(shí)。
LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
LLC諧振轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它通過(guò)為開關(guān)信號(hào)選擇適當(dāng)?shù)念l率來(lái)控制輸出電壓。將其與標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)轉(zhuǎn)換器（例如，降壓或升壓拓?fù)洌┻M(jìn)行對(duì)比，該轉(zhuǎn)換器通過(guò)開關(guān)信號(hào)的占空比來(lái)控制輸出。這些系統(tǒng)在包括交流電源輸入的系統(tǒng)中享有許多高功率應(yīng)用。
下面的框圖顯示了LLC諧振轉(zhuǎn)換器的各個(gè)部分。轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)通常由整流器，功率調(diào)節(jié)級(jí)（PFC電路）和平滑電容器組組成。如果要處理交流電源，則可以在此處放置一個(gè)EMI濾波器。請(qǐng)注意，LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)并非嚴(yán)格要求PFC級(jí)，但與其他任何開關(guān)穩(wěn)壓器一樣，它可以保持較高的功率轉(zhuǎn)換效率。
全橋與半橋切換
LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的開關(guān)元件有兩種可能的配置。在全橋開關(guān)電路中，我們有4個(gè)MOSFET，而半橋開關(guān)電路有2個(gè)MOSFET。當(dāng)提供交流電源時(shí)，這些元件以與橋式整流器中的二極管在正向和反向偏置之間切換相同的方式接通和斷開。在這里，全橋通常會(huì)占用更多空間并產(chǎn)生更多噪聲。我更喜歡半橋開關(guān)電路，因?yàn)榭梢詫㈩l率控制所需的電容器直接放置在半橋電路（C1和C2）中。
圖2. LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的開關(guān)電路。
輸出整流
輸出端的整流可以多種方式應(yīng)用。此處的目標(biāo)是控制電流方向，以使輸出始終為直流電。當(dāng)橋接部分切換時(shí)，輸出側(cè)的電容器將消除任何波紋。在更簡(jiǎn)單的LLC轉(zhuǎn)換器中，輸出整流由二極管提供，而電流較高的LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可使用MOSFET在輸出側(cè)提供整流。
控制輸出
就像在交流電路中一樣，通過(guò)選擇合適的變壓器匝數(shù)比來(lái)設(shè)置輸出。然而，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送到開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來(lái)控制在變壓器的初級(jí)側(cè)看到的電壓的大小。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)是占空比約為50％的脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號(hào)。
LC諧振回路電路將具有一定的增益，因?yàn)殡娐分械奈ㄒ浑娮枋?span>MOSFET的通態(tài)電阻和變壓器/電感器線圈的繞組電阻。典型增益值為1至1.5。隨著輸出功率的下降，驅(qū)動(dòng)器需要調(diào)整PFM信號(hào)頻率并使系統(tǒng)更接近諧振。這樣，可以通過(guò)在變壓器的初級(jí)側(cè)僅利用足夠的增益來(lái)增加輸出功率。
圖3. LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的反饋控制。
這種控制方法非常簡(jiǎn)單，可以通過(guò)反饋回路，電流或電壓感應(yīng)電路以及MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。還有一些特定組件可以提供這種感應(yīng)功能并提供驅(qū)動(dòng)所需的脈沖信號(hào)。橋接電路。完成電路設(shè)計(jì)并選擇了所有必需的組件后，您需要考慮如何將所有這些都帶入PCB布局。
PCB布局中的元件放置
由于LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)通常用于中等高壓系統(tǒng)，因此有一些基本的設(shè)計(jì)技巧可循：
輸出變壓器：放置最終變壓器時(shí)，請(qǐng)遵循隔離直流電源的最佳做法。變壓器會(huì)將高壓側(cè)與輸出端隔離開來(lái)，但要當(dāng)心；操作員仍可能會(huì)受到反饋回路的高壓影響。
MOSFET整流器：對(duì)于大電流輸出系統(tǒng)，您可能最終在輸出側(cè)使用MOSFET來(lái)提供大電流整流。甚至可以在輸出側(cè)并聯(lián)使用一組MOSFET，以提供大電流而不會(huì)造成擊穿風(fēng)險(xiǎn)。
間隙：如果您在高壓下運(yùn)行，請(qǐng)利用PCB設(shè)計(jì)工具中的間隙設(shè)計(jì)規(guī)則。您將要確保您的電路板不違反導(dǎo)體之間的電氣間隙高的安全標(biāo)準(zhǔn)。
與大多數(shù)高功率系統(tǒng)一樣，該布局很可能需要將散熱器，風(fēng)扇或同時(shí)安裝在特定組件上。對(duì)于可能工作在500 W或更高功率的LED板之類的東西，最好的選擇是使用金屬芯PCB，因?yàn)榻饘傩緦⑻峁┳匀簧帷ｊP(guān)鍵焊盤上的散熱孔也可以通過(guò)將熱量?jī)A瀉到平面層中來(lái)提供幫助。