看懂 LLC 谐振电路.pdf

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1、看懂LLC2015.12.11jamesj要了解LLC的工作,除了動作時序外,另一個重點就是FIG.1所示的DCGainCharacteristic.簡單說明這是一個直角坐標圖,X軸為頻率軸,Y軸為電壓增益軸.所以FIG.1的重點說明了,電壓增益對於頻率的變化.FIG.1(fromSTApp)曲線變化為Gain與FSW的關係,此曲線又稱為Q值曲線.從FIG.1內抓其中一條曲現出來看,曲線所表現的行為,如下圖FIG.2所示的LLC諧振電路的行為曲線.FIG.2FIG.2是一個經由FHA近似等效出來的電路.(只是近似非精準等效)這個電路,我們

2、一般稱之為”諧振槽”(ResonantTank).在LLC架構的電源中,主要的設計重點也就是在這個諧振槽的參數設計.不同的諧振槽設計參數,LLC將會有不同的工作區域,動作特性也將大大不同.LrCrQ在電路學上稱之為”品質因素”,在此的數學表示式為:QRac所以Rac的變化,將改變其Q的大小,進而改變Q曲線的選取.FIG.1中,越內部的Q曲線,表示Q值越大也表示Rac越小,也就是負載越重或是輸出電流越大.相反的,越靠外側的Q曲線則是Rac越大,負載越輕,輸出電流越小.再稍微注意一下會發現,所有的Q值曲線都將有一個共同的交會點.這交會點的F

3、SW即是諧振頻率點.在此點達到共振.(我們稱此點為Fr1)Q值曲線的斜率會因Lm/Lr(一般論述將Lm/Lr設定為K值)的不同而有所改變.也就是說,不同的Lm/Lr下,會有不同的DCcharacteristicQ值曲線.如下圖示FIG.3-1FIG.3-2FIG.3-3當Lm/Lr較小時,Q曲線會較為陡峭,Lm/Lr較大的時候,Q曲線則較為平緩.K值小的狀況,FSW變動範圍小,就可以得到較大的增益量.但K值小表示Lm相對的偏低,將帶來較大的磁化電流(Im),雖然在LLC的架構下Im可以轉移到次級側,供負載使用.但是較大的Im在初級將帶來較

4、大的conductionloss.反之,K值較大,FSW需要較大範圍的變化來獲取需要的增益量.設計上我們需盡量減小電路的conductionloss,另一方面,又不希望工作下的FSW變化太大,造成磁損與MOSFETturnoff時switchingloss的增加或是Holduptime的犧牲,甚至電路上無法獲得所需的增益量來正常工作.因此對於K值的設計需要做適當的設定,一般論述中建議K值的設定在2.5~7之間.(此K值範圍僅為參考設計用,各論述中大同小異範圍差別不大)FIG.4(K值大小對電路損失的比較)PS.1.不同的Q值,均有一條Q曲

5、線來表示出當下Rac的Gain與FSW的關係2.Q曲線實際上是一個連續面的圖形,因為實際上負載變化是類比連續面的.為了好論述,所以將其簡化為幾條Q曲線做其說明.LLC的工作區域如何劃分.FIG.5FIG.6FIG.5與FIG.6都是描述相同的DCGainCharacteristiccurve.但是要注意的是,對於操作區的定義表達不同.(這也是初學者常常因不同論述而有所混淆的地方.)FIG.5是以紅色虛線劃分了三個區塊,分別表示三個不同的操作區域.FIG.6則是Fr2,Fr1兩個頻率點,劃出了三個區塊.分別是FSW

6、Fr1,FSW>Fr1.三個矩形區塊.那這有什麼不同呢?差異最大的不同就是FIG.5的Region2與FIG.6的Fr2Fr

7、1.這個區塊比較好理解,因為Curve所描述的電路行為是一個典型的“串聯諧振”電路.FIG.8說明了,當頻率FSW=Fr1的時候,達到諧振頻率.這個時候的XL=XC,整個諧振槽電路的輸入阻抗最小,輸出電壓增益最大.當FSW>Fr1時,則諧振槽電路的XL>XC,表示此時的諧振槽電路為電感性電路.即是FIG.8右邊Region1的區域.FIG.8FIG.9FIG.9則是表示FSW>Fr1等效電路的變化.其中Cr因F>Fr1而被短路視之.在這個串連諧振區域,經由FIG.8表示出,當FSW越高則增益(VO/VI)越小.也不難看出,這個區域的最大增

8、益為1,也就是當FSW=Fr1時,諧振槽的等效阻抗最小.所以這個區域也稱為“Buck”區,表示如同Buck電路一樣,只有降壓的效果.這是因為在串連諧振電路下,當FSW上升,則XLr也一同增加,