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LLC 谐振转换器的设计要素

2

WHY WE NEED LLC

功率变换器设计中，对大功率密度和小尺寸的要求越来越高，迫切需要设计师提高效率提高开关频率

但是，硬开关的开关损耗影响了频率的升高。于是人们寻求软开关技术来克服这个问题。

LLC谐振能实现ZVS所需元件少是近年来百瓦功率 级比较流行的方案

容性功耗电压和电流的交迭

高频工作

- 通过 ZVS 降低开关功耗：提高效率

- 宽负载范围下频率变化范围小

- 零电压开关，即使在无负载的情况下

反向恢复功耗

3

LLC特点

增益特性

存在两个谐振频率（fo 和 fp）不管负载怎么变化，在谐振频率 (fo) 处增益都是固定的。

峰值增益频率在 fo 和 fp 之间

随着 Q 降低（如负载降低）, 峰值增益频率向 fp 移动，得到较高的峰值增益。

随着 Q 上升（如负载增加）, 峰值增益频率向 fp 移动，峰值增益

下降。

LLC resonant C onverter

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

freq (kH z)

Gain

Q = 1

Q = 0.8

Q = 0.6

Q = 0.4

Q = 0.2

fofp

1 p

p r

LkMk L L+

= =−

Q=0.2

Q=1

/r r

ac

L CQ

R=

频率 LLC 谐振变换器

4

50％占空比半桥谐振(LLC)－ZVS，效率高

内置MOS寄生二极管反向恢复快，达120ns

死区时间固定350ns

可调间歇工作模式－可在轻载时限制频率降低功耗

在控制脚可简单实现ON/OFF控制

保护齐全OVP,OLP,OCP,AOCP,TSD

FSFR系列特点及输出功率

5

FSFR系列内框图

6

FSFR系列工作线路

R1923k

C231n

400V

IC1KA431

23

1

VFB

C23A10n

C2550V/1u

T1

R161K

C122n

R2533k

FB

SG

HVCC

RT

CS

PG

VCTR

LVCC VDL

U1

35

104

7

92

6

1

C435V/1000u

24V /8A

R171kR22

2.2k

C2

35V/1000u

L18uH

C50.15u

R293k

R11

7.5k

D6UF4007

R12

10k

C3

35V/1000u

R69

10R

C750V/10u

VCC

R30

0.2R

VFB

R287.5k

OP1PC817

12

43

D2FYPF2010

C240.1u

7

简单的ON/OFF 控制

CON CON 脚电压<0.4V IC 不工作CON 脚电压>0.6V IC 恢复工作

8

FSFR系列产品保护功能

检测谐振电流

VCS<-0.6V OCP

检测CON电压

VCON>5V OLP

检测LVCC电压LVCC>23V OVP

检测谐振电流

VCS<-0.9V AOCP

检测MOS温度

TMOS>130C TSD

9

OCP 保护波形

输出短路 OCP触发输出过载 OCP触发

10

软起动功能

通常软启动频率是正常工作频率的2－3倍

11

软起动波形

12

C2810n

5VS

R48A1k

R1322k

C3810V/470U

R40

100

R57

0

PFC VCC

PFC VCC

C350.1u

C4022u/25V

C1916V/1000u

C2550V/1u

Q3237

C1316V/1000u

IC1KA431

23

1

L18uH

OP1

PC817

12

43

L48uH

N1

R446.2K

R481k

Q42N4401

R1447k

C39100N

D141N4148

C1

10n

R35

1K

D4

3A 600V

R11

33k

5V /5A

R27

10-

D12SR560

R496.2K

R23

120K 2W

C30 400Vac/470p

R583K

D22010

FB

SG

HVCC

RT

CS

PG

VCTR

LVCC VDL

U1

35

104

7

92

6

1

R22

33k

R34

100k

IC2

KA431

23

1

C8

1U 630V

R1710k

D92010

Q12N4403

C18

16V/1000u

PFC BUS

OP3

H11A817A

12

43

R331k

OP2PC817A

12

43

R54

1k

L3 N1:N2=126:11 520UH1,2 4,5

11 10

R1

5-(NTC)

R451k

R253k

PFC BUS

C2610n

M1Q6

R56

75K

D171N4148

ON/OFF

C635V/1000u

VCC IN

C43

250Vac/0.22u

VCC

R3120K

ZD127V

R9

330R

C1510n

R553K

R19810-

D13

1N4004R393-

3904

Q5

R4120K

R1522k

R50

10R

C47

33p

-+

BD1

T4SB80

R40A100

L28uH

R2

10R

L7 COILD11

1N4937

C42

33p

R720

C1116V/1000u

C750V/47u

R43100R

FB

Drain

GND

Syc

VccVstr

U3 FSQ311

1

4

38

2

765

C1216V/1000u

D151N4148

C29

250Vac/0.22u

C335V/1000u

R30

0.67R

R52

1k

L58uH

24V

C440.1u

L6LCL-F112

C1510n

17.5V

ZD4

12V

C1450Vac/0.1u

IC3KA431

23

1

Q22N4403

R21

120K

R12

2.7k

R4110R

C2050Vac/0.1u

L8LCL-F112

C22

50V/47u

C33102P

R38

10K

T2EC28

VCC IN

R161K

VCC

C21450V/220u

C4522UF 50V

PFC BUS

D161N4148

R47

10K

R8510K

R511k

R293k

ZD230V

R10

10-

R24

120K 2W

R46

1k

C2310n

D52010

R5

1M

C46

100nF

R26

10-

C235V/1000u

T1

R2833k

C2710n

C17

16V/1000u

ZD330V

D1

3A 600V

R4210R

C435V/1000u

C240.1u

12V /5A

VCC

GND

OUT

INV

MOT

COMP

CS

ZCD

U2

13

2 4

578

6

R32

10R

C34102P

R37

1K

R3123k

12V

C41

220n

C31400Vac/470p

R184.7k

C3610V 1000U

D6UF4007

C3710V 1000U

C10 270p

R531k

F12A/250Vac

R36

1K

XS1

L N1 3

5VS/0.5A

24V /6A

C32400Vac/470p

D84148

C9

1U 630V

R20810-

D18

1N4937

C5

50Vac/0.1u

CRM PFC FAN7530

LLC FSFR2100

STAND BY FSQ311

LCD电源方案

13

设计流程

使用FSFR2100设计的实例- 输入电压：400Vdc（PFC 输出）

- 输出：24V/8A (192W)- 保持时间要求：20ms- PFC 输出电容：220uF

14

定义系统参数

预估效率 (Eff)输入电压范围：最小输入电压必须考虑保持时间

min 2.

2 in HUin O PFC

DL

P TV VC

= −

【第一步】

15

选择 m，确定谐振网络的最大和最小压增益

一般，m 取 3~7，此时谐振频率 (fo) 下的增益为 1.1~1.2

【第二步】

16

确定变压器圈数比 (n=Np/Ns)

maxmin

2( )p in

s o F

N Vn MN V V

= = ⋅+

计算等效负载阻抗 (Rac)2 2

28 o

aco

n VRPπ

=

（设计实例）

【第三、四步】

17

设计谐振网络

- 利用第二步选择的 m值，从增益曲线中读取合适的 Q 值

m=5, =1.28 考虑15％的余量，取 =1.47

读取Q=0.4

【第五步】

18

设计变压器

- 利用增益曲线，读取最小切换频率。然后，利用下面的等式计算变压器的初级最小线圈数

minmin

( )2

o Fp

s e

n V VNf B A

+=

⋅Δ ⋅

利用匝比计算变压器的初级最小线圈数

次级取4匝时

【第六步】

19

变压器构造

- 由于 LLC 变换器设计需要一个相对大的 Lr，一般采

用一种可组合线轴

- 线圈数和绕线结构是决定 Lr 大小的主要因素

- 变压器芯的气隙长度不会影响 Lr 太多

- 通过调整气隙长度却可以轻松控制 Lp

设计值：Lr=126uH, Lp=630uH

Np=52T Ns1=Ns2=6TBifilar

【第七步】

20

选择谐振电容

2 2( 2 )[ ] [ ]2 2 4 2r

RMS o o FC

o m

I n V VIn f L

π + ⋅≅ +

maxmax 2

2 2r

RMSin Cr

Co r

V IVf Cπ

⋅≅ +

⋅ ⋅ ⋅

（设计实例）

选630V耐压的电容

【第八步】

21

选择输出线路

（设计实例）

采用中间抽头方式整流时

输出二极管的最低耐压

流过输出二极管的电流的有效值

可选择100V20A的肖特基

【第九步】

22

设计控制线路 （设计实例）

是由最低工作频率决定的

是由最高工作频率决定的

是由软启动频率决定的

由第六步最低工作频率为72K

设最高工作频率为140K

设起始软起动频率为250K

【第十步】

23

24V/8A样板效率

24

200WLCD电源样板效率

25

高压INVERTER方案

AC110V/220V

Bridge Rectifier

PFC Block

Half Bridge

HVIC

0

CCFL Controller

flyback

flyback

FAN7530 FAN7529 FAN4810 SG6961

FAN7313 FAN7316

Multi Output FAN7602/B FSQ0565 FSQ0765

FSQ0170 FSQ0165 FSQ0265 FSQ0365 FSQ311

FAN7382

Multi Output STB

…380V CCFL

Feedback

PFC MOSFETFQP/PF/A13N50CFDP/PF/A18N50FDP/PF/A20N50(T)FCP/PF11N60FCP/PF/A16N60*FCP/PF/A20N60S*FCP/PF/A20N60

PFC DIODERHRP860FFP08H60SRHRP1560FFP/PF10H60SFFP/A30H60S*FFP/PF08S60S

HB DIODEISL9R4/860PF2FFPF04/08S60SFFPF04/08H60SFFPF60SA/B60DS

HB MOSFETFQPF5/9/13N50C(F)FDPF7N50U