LLC变换器通讯电源的设计与应用

王 维，尹 斌

（河海大学 能源电气学院, 江苏 南京 211100）

谐振变换器具有很多优点：开关频率高应力小、关断损耗小、EMI噪声小、重量轻、体积小、效率高。LLC谐振电源易实现原边开关管ZVS，次级二极管ZCS，输入电压范围宽等优点，因而得到广泛的关注。文中介绍了LLC谐振变换器的工作原理和工作特性，并介绍了电流脉宽型控制芯片UC3846以及其外围控制电路设计，并将其控制电路运用于LLC谐振电源中。

1 UC3846芯片介绍及原理

UC3846是电流脉宽型调制芯片，其内部结构如图1，电流模式控制的特点是电感电流随着输入电压与输出电压的比值变化而变化，所以UC3846具有带载响应特性强的优点，线电压调节率得到极大改善，补偿电路更简单优化。该调制芯片具有自动前馈补偿、推挽输出结构下自动对称校正、大电流图腾柱式输出、并联运行下模块系统、外部关断、可编程控制逐个脉冲抑制以及死区时间调节等功能，并且内置了软启动电路和欠电压锁定电路，工作频率高500 kHz[1]。

脚1为限流调整端；脚2为基准电压输出端，基准电压为5.1V；脚3为电流检测放大器的反相输入端；脚4为电流检测放大器的同相输入端；脚5和脚6为误差放大器的同反相输入端；脚7为误差放大器输出，可与6脚组成电压调节器，其外围电路通常接成PID电路；脚8为振荡器的外接电容端；脚9为振荡器的外接电阻端；脚10为同步端；脚11和脚14为PWM脉冲的A、B输出端，两路为互补输出端；脚12为地；脚13为集电极电源端；脚15为控制电源输入端；脚16为外部关断信号输入端[2]。

2 UC3846外围电路及分析

图1 UC3846内部结构图Fig. 1 The internal structure of the UC3846

图2 UC3846的外围电路Fig. 2 Peripheral circuits of the UC3846

高功率的开关电源的输出滤波电容一般比较大，如无软启动，刚刚开机时就会产生很大的充电电流，不仅会导致过流保护电路的误操作，还会使功率开关管过流损害，甚至开关管爆炸，为了避免由此引起的误操作，所以外围电路必须具有软启动功能，如图2，C1、R3和R4构成了开机软启动电路。当开关电源开机时，1脚的电压低于0.5 V，11脚和14脚无脉宽输出，R3和R4分压为1脚提供了给定电压，随着C1的电压升高，输出脉宽逐渐变宽，实现了软启动功能。IF为电流反馈信号，改变4脚的电压变化率可以改变11脚和14脚的输出脉宽，而4脚的电压变化率通过对C11的不断充放电来实现。IF通过R16和R17给电容C11提供充电电压。C8、R10构成斜坡补偿，增加UC3846工作时的稳定性。UF为电压反馈信号，6脚和7脚短接组成电压跟随器，增加电路的准确性和稳定性，电路中VCC通过R8、R9给电压比较器LM339的同向端一个给定信号，R6、R2、C3、C4构成PI调节器，用于补偿闭环增益和进行频率响应调节。

3 LLC谐振变换器工作原理

图3 LLC不对称半桥变换器主电路Fig. 3 Main circuit of LLC asymmetrical half-bridge inverter

LLC谐振电源易实现零电压开通，零电流关断，输入电压范围宽等优点，很受关注。图3为LLC谐振半桥电源原理图。主电路中，Vin为输入电压，可由交流电压整流获得，S1和S2为主开关管，其驱动信号是由占空比固定为0.5的互补驱动信号，谐振电感Lr，谐振电容Cr，励磁电感Lm组成了一个LLC谐振网络，该谐振网络连接在半桥的中点和地之间，因此谐振电容也起到隔直的作用，防止由直流引起的变压器偏磁[3-6]。

4 主要元件参数计算

输出功率：P0=240 W；最大输入电压：Vin_max=380 V ；最小输入电压：Vin_max=280 V ；额定输入电压：Vin_max=360 V ；输出电压电流：Vo= 48 V，Io= 5 A ；输出二极管电压压降：Vof= 0.7 V ；谐振频率：Fr= 80 kHz 。

1）计算理论变压器匝数比N：

选择实际变比：N= 4

2）计算最高、最低输入电压增益Mmin、Mmax：

3）选取k计算Q：

4）计算工作频率：

输入电压最小且满载时，工作频率最小：

输入电压最大且满载时，工作频率为：

输入电压最大且空载时，工作频率最大：

5）计算Lm、Lr、Cr：

根据以上的计算，主开关管采用2SK2765型MOSFET，次级整流二极管选用SF164型超快恢复二极管，谐振网络参数为：Lr= 0.107 mH，Cr= 3 MF，Lm= 0.428 mH。

5 设计实例

按照以上分析和参数计算设计了一台240 W的半桥谐振型电源样机，设定输出电压为48 V，额定输出电流5 A。图4和图5是在空载和加负载的情况下变压器原边电压及原边电流的实测波形。测试结果表明，电压调整率和原边电流均达到设计的理想目标，即达到了设计目的。

图4 空载时变压器原边电压与原边电流Fig. 4 Primary voltage and primary current of transformer when no-load

图5 加负载5A时变压器原边电压与原边电流Fig. 5 Primary voltage and primary current of transformer plus load 5A

6 结束语

文中通过分析LLC半桥谐振电路的原理，设置了励磁电感、谐振电感电容的参数。采用UC3846设计了谐振电源的控制外围电路，很好地完成了电压和电流检测的功能。最终在240 W的样机上进行测试，证明了该方法的有效性与实用性。

[1]陈宪彪,尹斌.一种基于UC3846的变频设计与应用[J].信息通信, 2012(1): 66-67.

CHEN Xian-biao,YIN Bin.A frequency conversion design and application based on UC3846[J].Information and Communications,2012(1):66-67.

[2]宋鹏,孔令刚.基于UC3846的开关电源电压反馈的优化设计[J].重庆工学院学报:自然科学版, 2008(8):129-131.

SONG Peng,KONG Ling-gang.Optimal design for voltage feedback in switch power supply based on UC3846[J].Journal of Chongqing Institute of Technology: Natural Science. 2008(8):129-131.

[3]陈越,吴新科,钱照明.基于LLC拓扑的宽电压输出LED驱动电源研究[J].电力电子技术, 2011(3):79-81.

CHEN Yue,WU Xin-ke,QIAN Zhao-ming.Research on wide range output LED driver based on LLC topology[J].Power Electronics, 2011(3):79-81.

[4]张振银,秦会斌,刘琦,应智花.基于LLC的半桥谐振变换器设计[J].电子器件, 2010(5): 5-8.

CHEN Zhi-jian,LIN Guo-qing.Modeling and design of Half-Bridge LLC resonant converter[J].Electronic Devices., 2010(5):5-8.

[5]江雪,龚春英.LLC半桥谐振变换器参数设计法的比较与优化[J].电力电子技术. 2009(11):56-58.

JIANG Xue,GONG Chun-ying.Comparison and optimization for LLC Half-bridge resonant converter parameter design[J].Power Electronics, 2009(11):56-58.

[6]陆治国,余昌斌.新型LLC谐振变换器的分析与设计[J].电气应用, 2008(1):65-68.

LU Zhi-guo,YU Chang-bin.Analysis and design of LLC resonant converter[J].Electrical Applications, 2008(1): 65-68.