开关电源设计-LLC谐振桥式变换器的实现.ppt

3.LLC谐振桥式变换器的实现谐振桥式变换器的实现问题的提出问题的提出随着大尺寸平板电视机的问世，使电视机随着大尺寸平板电视机的问世，使电视机不再是厚重的电子设备，可以方便的挂在不再是厚重的电子设备，可以方便的挂在墙上。给人们的生活带来极大的方便。墙上。给人们的生活带来极大的方便。最主要的是由于平板电视机的厚度相对很最主要的是由于平板电视机的厚度相对很薄。薄。要求电源的厚度也很薄，仅仅要求电源的厚度也很薄，仅仅25mm。这样，。这样，平板电视机的电源将如何适应这一厚度？平板电视机的电源将如何适应这一厚度？平板电视机对电源的要求平板电视机对电源的要求尽可能的薄尽可能的薄尽可能的高效率尽可能的高效率尽可能地的电磁干扰尽可能地的电磁干扰尽可能的薄尽可能的薄与常规电视机不同的是，平板电视机的厚与常规电视机不同的是，平板电视机的厚度很薄，因此要求其电源的厚度也必须很度很薄，因此要求其电源的厚度也必须很薄才能适应平板电视机的要求。薄才能适应平板电视机的要求。尽可能的高效率尽可能的高效率既然要求电源很薄，散热条件变差，需要既然要求电源很薄，散热条件变差，需要电源有尽可能高的效率来尽可能的降低电电源有尽可能高的效率来尽可能的降低电源自身损耗而导致的发热。源自身损耗而导致的发热。尽可能低的电磁干扰尽可能低的电磁干扰由于平板电视机里面有微弱信号的模拟电由于平板电视机里面有微弱信号的模拟电路，要求平板电视机电源的电磁干扰要尽路，要求平板电视机电源的电磁干扰要尽可能的低。可能的低。常规开关电源存在的问题常规开关电源存在的问题为了获得低的电磁干扰，一般电视机中电源由于为了获得低的电磁干扰，一般电视机中电源由于采用反激式开关电源，因此效率并不是很高，对采用反激式开关电源，因此效率并不是很高，对体积要求不高。不能适应结构紧凑平板电视机。体积要求不高。不能适应结构紧凑平板电视机。众所周知，在各类开关电源中，反激式开关电源众所周知，在各类开关电源中，反激式开关电源的效率相对最低，双端正激式电路结构的效率相的效率相对最低，双端正激式电路结构的效率相对最高，因此电脑电源通常采用半桥电路结构。对最高，因此电脑电源通常采用半桥电路结构。由于电视机中的调节器和图象通道电路对电磁干由于电视机中的调节器和图象通道电路对电磁干扰及其敏感，常规的半桥电路的硬开关工作模式扰及其敏感，常规的半桥电路的硬开关工作模式不能满足电视机的低电磁干扰要求，因此，需要不能满足电视机的低电磁干扰要求，因此，需要寻求低电磁干扰的工作模式。寻求低电磁干扰的工作模式。平板电视机电源的最初解决方案平板电视机电源的最初解决方案在最初的液晶显示器和早期的液晶电视机在最初的液晶显示器和早期的液晶电视机中，电源是以电源适配器形式置于显示器中，电源是以电源适配器形式置于显示器或电视机的外面。这就给使用带来极大的或电视机的外面。这就给使用带来极大的不便。不便。1.开关电源电磁干扰产生的主要原因开关电源电磁干扰产生的主要原因开关电源产生电磁干扰的主要原因有：开关电源产生电磁干扰的主要原因有：开关管的硬开关过程的电流变化率开关管的硬开关过程的电流变化率di/dt和和电压变化率电压变化率dv/dt过高所产生；过高所产生；输出整流二极管的反向恢复过程与开关管输出整流二极管的反向恢复过程与开关管的开通过程同时起作用时，产生输出整流的开通过程同时起作用时，产生输出整流二极管的回路与开关管的回路切换，两个二极管的回路与开关管的回路切换，两个回路中的寄生电感、寄生电容释放储能而回路中的寄生电感、寄生电容释放储能而产生的非常高频率的寄生振荡并产生比较产生的非常高频率的寄生振荡并产生比较强烈的电磁干扰。强烈的电磁干扰。2.降低电磁干扰的基本方法降低电磁干扰的基本方法降低电磁干扰的基本方法就是避开或破坏降低电磁干扰的基本方法就是避开或破坏上述产生电磁干扰的条件。上述产生电磁干扰的条件。2.1 零电压开关是减小开关电源电磁零电压开关是减小开关电源电磁干扰的最好方法干扰的最好方法零电压开关可以是：零电压开关可以是：自然零电压开关；自然零电压开关；全桥移相零电压开关；全桥移相零电压开关；谐振式零电压开关。谐振式零电压开关。2.2 输出整流二极管的零电流开关输出整流二极管的零电流开关输出回路实现零电流开关，使环流过程中输出回路实现零电流开关，使环流过程中两回路处在零电流的寄生电感无储能状态；两回路处在零电流的寄生电感无储能状态；输出整流二极管自然反向恢复。输出整流二极管自然反向恢复。2.3 需要考虑的问题需要考虑的问题一般零电压开关存在的问题；一般零电压开关存在的问题；准谐振工作模式存在的问难题准谐振工作模式存在的问难题2.3.1 一般零电压开关存在的问题一般零电压开关存在的问题自然零电压开关、全桥移相零电压开关的自然零电压开关、全桥移相零电压开关的输出整流滤波电感的电流处于连续工作模输出整流滤波电感的电流处于连续工作模式，存在开关管的开通与输出整流二极管式，存在开关管的开通与输出整流二极管反向恢复同时出现的问题，所产生的电磁反向恢复同时出现的问题，所产生的电磁干扰幅度是不能接受的。干扰幅度是不能接受的。2.3.2 准谐振工作模式存在的问难题准谐振工作模式存在的问难题在电路和控制方式最简捷的就是谐振式工在电路和控制方式最简捷的就是谐振式工作模式。对于输出功率不太大的应用并且作模式。对于输出功率不太大的应用并且体积要求不十分苛刻如电视机的应用中，体积要求不十分苛刻如电视机的应用中，可以采用准谐振反激式开关电源电路结构可以采用准谐振反激式开关电源电路结构和控制方式来获得零电压开关或在电压极和控制方式来获得零电压开关或在电压极小值处开通。小值处开通。而对于输出功率要求比较大的大尺寸平板而对于输出功率要求比较大的大尺寸平板电视机，由于体积要求非常苛刻，采用准电视机，由于体积要求非常苛刻，采用准谐振模式将不再适用。谐振模式将不再适用。3.LLC半桥谐振变换器半桥谐振变换器是最好的解决方案是最好的解决方案基本控制思路是：在降低开关管的基本控制思路是：在降低开关管的di/dt和和dv/dt同时，还要将输出整流二极管的反向同时，还要将输出整流二极管的反向恢复过程避开开关管的开通过程。这样输恢复过程避开开关管的开通过程。这样输出整流二极管就可以在开关管开通前完成出整流二极管就可以在开关管开通前完成反向恢复，消除输出整流二极管的反向恢反向恢复，消除输出整流二极管的反向恢复对开关管开通过程的影响。复对开关管开通过程的影响。3.LLC半桥谐振变换器原理简介半桥谐振变换器原理简介3.1 基本电路结构基本电路结构3.1 电路与控制方式的特点电路与控制方式的特点1.开关频率低于开关频率低于LC谐振频率工作模式下，输出谐振频率工作模式下，输出整流器在整流器在LC谐振电流下降到零后自动关断，开谐振电流下降到零后自动关断，开关管开通使输出整流器的反向恢复结束，所产生关管开通使输出整流器的反向恢复结束，所产生的电磁干扰相对低；而且也不会产生对开关管不的电磁干扰相对低；而且也不会产生对开关管不利的由于输出整流器的反向恢复所造成的开关管利的由于输出整流器的反向恢复所造成的开关管的开通损耗。的开通损耗。2.开关频率高于于开关频率高于于LC谐振频率工作模式下，输出谐振频率工作模式下，输出整流器的反向恢复将在开关管的开通过程完成，整流器的反向恢复将在开关管的开通过程完成，可能会出现比较大的电磁干扰；还可能会使开关可能会出现比较大的电磁干扰；还可能会使开关管的开通损耗增加。管的开通损耗增加。3.综合考虑，一般选择开关频率低于综合考虑，一般选择开关频率低于LC谐振频谐振频率工作模式。率工作模式。3.2 开关频率低于开关频率低于LC谐振频率时的等效电路谐振频率时的等效电路3.3LLC串联谐振变换器工作在串联谐振变换器工作在fmffS下的主要波形与时序下的主要波形与时序3.4开关频率高于开关频率高于LC谐振频率的主要波形谐振频率的主要波形由于开关频率高于由于开关频率高于LC谐振频率的工作模式谐振频率的工作模式下，输出整流二极管的反向恢复与开关管下，输出整流二极管的反向恢复与开关管的开通同时出现，因而可能产生比较大的的开通同时出现，因而可能产生比较大的电磁干扰。电磁干扰。3.5 输出功率与电压的调节输出功率与电压的调节在输入电压一定时，每个开关周期在输入电压一定时，每个开关周期LLC谐振谐振变换器向输出传输的能量是固定值。因此，变换器向输出传输的能量是固定值。因此，可以通过调节可以通过调节LLC谐振变换器的开关频率调谐振变换器的开关频率调节输出功率的大小；节输出功率的大小；在满负载时，开关频率接近在满负载时，开关频率接近LC谐振频率；谐振频率；随着负载的减轻，开关频率随之降低，以随着负载的减轻，开关频率随之降低，以降低降低LLC谐振变换器向输出传递的功率。谐振变换器向输出传递的功率。3.6 半桥串联谐振变换器的适用范围半桥串联谐振变换器的适用范围直流母线电压变化范围不大或基本不变；直流母线电压变化范围不大或基本不变；负载变化范围不十分大，具有一定的最小负载变化范围不十分大，具有一定的最小负载电流。电视机就是这一类负载。负载电流。电视机就是这一类负载。4.元件的选择与装配元件的选择与装配1.输入整流滤波电容器，一般为输入整流滤波电容器，一般为220330F，为，为了使电容器具有比较大的额定纹波电流，一般选了使电容器具有比较大的额定纹波电流，一般选择细长型电解电容器，采用卧式装配。择细长型电解电容器，采用卧式装配。2.谐振电感选用变压器漏感的方式实现，可以减谐振电感选用变压器漏感的方式实现，可以减少元件数量，简化电路。少元件数量，简化电路。3.变压器采用低高度磁芯和的卧式骨架。变压器采用低高度磁芯和的卧式骨架。4.为降低成本，输出整流器选择肖特基二极管，为降低成本，输出整流器选择肖特基二极管，不采用同步整流器。不采用同步整流器。变压器结构示意变压器结构示意输入整流滤波电解电容器发放置方式输入整流滤波电解电容器发放置方式5平板电视机电源的实现平板电视机电源的实现5.1液晶电视机电源要求液晶电视机电源要求以以37英英寸寸液液晶晶电电视视机机为为例例，其其供供电电为为：背背光光 电电 源源 24V/8A；D类类 功功 率率 放放 大大 器器 电电 源源30V/1A（或或24V/1.5A）；还还有有其其他他电电子子线线路路用用的的12V3A、8V/1.5A、5V/6A和和待待机机电源电源5 V/2A，共计约，共计约220W。5.2 等离子电视机电源要求等离子电视机电源要求对于大屏幕等离子电视机，则供电为：主对于大屏幕等离子电视机，则供电为：主电压电压VSUSTAIN：195215V；寻址电压；寻址电压VADDRESS：5070V；扫描电压；扫描电压VSCAN：-165-230V；复位电压；复位电压VSET：180215V；VERASE：70120V；和几个低电压输出的；和几个低电压输出的3.3V、5.2V、12V。5.3应用应用ON Semi控制芯片控制芯片NCP1396的的37英寸液晶电英寸液晶电视机电源解决方案视机电源解决方案5.3.1NCP1396为控制芯片的解决方为控制芯片的解决方案的概述案的概述功率因数校正采用临界电流性工作模式，功率因数校正采用临界电流性工作模式，才用才用NCP1605作为控制芯片，待机时可以作为控制芯片，待机时可以将功率因数校正部分停止工作；将功率因数校正部分停止工作；功率变换采用功率变换采用LLC准谐振工作模式，采用准谐振工作模式，采用NCP1396作为控制芯片；作为控制芯片；待机电源采用准谐振反激式开关电源电路待机电源采用准谐振反激式开关电源电路结构，采用结构，采用NCP1207作为控制芯片。作为控制芯片。5.3.2主电源：主电源：NCP1396的特点的特点LLCLLC半桥谐振专用控制芯片半桥谐振专用控制芯片半桥谐振专用控制芯片半桥谐振专用控制芯片可以工作在可以工作在可以工作在可以工作在50500kHz50500kHz具有具有具有具有600V600V的高压高边驱动器的高压高边驱动器的高压高边驱动器的高压高边驱动器带有带有带有带有3%3%精度可选择的最低开关频率选择精度可选择的最低开关频率选择精度可选择的最低开关频率选择精度可选择的最低开关频率选择100ns2s100ns2s可调死区时间可调死区时间可调死区时间可调死区时间借助于可调软启动的顺序启动借助于可调软启动的顺序启动借助于可调软启动的顺序启动借助于可调软启动的顺序启动待机时可以简单的关闭待机时可以简单的关闭待机时可以简单的关闭待机时可以简单的关闭PFCPFC部分部分部分部分当过热、过电压的恶劣故障条件下关闭输入当过热、过电压的恶劣故障条件下关闭输入当过热、过电压的恶劣故障条件下关闭输入当过热、过电压的恶劣故障条件下关闭输入300A300A的低启动电流的低启动电流的低启动电流的低启动电流驱动输出具有驱动输出具有驱动输出具有驱动输出具有1A/0.5A1A/0.5A峰值灌峰值灌峰值灌峰值灌/拉电流能力拉电流能力拉电流能力拉电流能力5.3.3 待机电源：待机电源：NCP1027准谐振反激式开关电源控制芯片准谐振反激式开关电源控制芯片低待机功率低待机功率电路简单电路简单样机图片样机图片电路图电路图顶层电路板图顶层电路板图底层电路板图底层电路板图顶层元件排布图顶层元件排布图底层元件排布图底层元件排布图5.5 应用应用PHLIPS控制芯片控制芯片TEA1610的解决方案的解决方案样机电路图样机电路图样机元件排布图样机元件排布图样机电路板图样机电路板图