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电路设计LLC谐振转换器设计和PCB布局


电路设计中DC-DC转换器可能很难设计,甚至可能很危险,尤其是当我们考虑使用具有高电流输出的开关转换器时。在各种类型的开关转换器及其拓扑中,这些转换器是高功率系统(如LED电池组,设备,台式机和服务器电源以及许多其他功率转换系统)的关键部分。

一旦您了解了实现反馈环路的控制算法和方法,LLC谐振转换器的设计就会显示出其价值。您可以实现与降压-升压转换器相同的控制算法,以适应具有下垂或过大纹波的电源。当您准备为这些系统创建PCB布局时,应牢记一些安全性,热量管理和噪声抑制方面的知识。

LLC谐振转换器设计

LLC谐振转换器是一种开关转换器,它通过为开关信号选择适当的频率来控制输出电压。将其与标准开关转换器(例如,降压或升压拓扑)进行对比,该转换器通过开关信号的占空比来控制输出。这些系统在包括交流电源输入的系统中享有许多高功率应用。

下面的框图显示了LLC谐振转换器的各个部分。转换器的输入级通常由整流器,功率调节级(PFC电路)和平滑电容器组组成。如果要处理交流电源,则可以在此处放置一个EMI滤波器。请注意,LLC谐振转换器设计并非严格要求PFC级,但与其他任何开关稳压器一样,它可以保持较高的功率转换效率。

全桥与半桥切换

LLC谐振转换器设计中的开关元件有两种可能的配置。在全桥开关电路中,我们有4MOSFET,而半桥开关电路有2MOSFET。当提供交流电源时,这些元件以与桥式整流器中的二极管在正向和反向偏置之间切换相同的方式接通和断开。在这里,全桥通常会占用更多空间并产生更多噪声。我更喜欢半桥开关电路,因为可以将频率控制所需的电容器直接放置在半桥电路(C1C2)中。

2. LLC谐振转换器设计的开关电路。

输出整流

输出端的整流可以多种方式应用。此处的目标是控制电流方向,以使输出始终为直流电。当桥接部分切换时,输出侧的电容器将消除任何波纹。在更简单的LLC转换器中,输出整流由二极管提供,而电流较高的LLC谐振转换器设计可使用MOSFET在输出侧提供整流。

控制输出

就像在交流电路中一样,通过选择合适的变压器匝数比来设置输出。然而,通过调节发送到开关电路的驱动信号的频率来控制在变压器的初级侧看到的电压的大小。该驱动信号是占空比约为50%的脉冲频率调制(PFM)信号。

LC谐振回路电路将具有一定的增益,因为电路中的唯一电阻是MOSFET的通态电阻和变压器/电感器线圈的绕组电阻。典型增益值为11.5。随着输出功率的下降,驱动器需要调整PFM信号频率并使系统更接近谐振。这样,可以通过在变压器的初级侧仅利用足够的增益来增加输出功率。

3. LLC谐振转换器设计中的反馈控制。

这种控制方法非常简单,可以通过反馈回路,电流或电压感应电路以及MCU来实现,如图3所示。还有一些特定组件可以提供这种感应功能并提供驱动所需的脉冲信号。桥接电路。完成电路设计并选择了所有必需的组件后,您需要考虑如何将所有这些都带入PCB布局。

PCB布局中的元件放置

由于LLC谐振转换器设计通常用于中等高压系统,因此有一些基本的设计技巧可循:

输出变压器:放置最终变压器时,请遵循隔离直流电源的最佳做法。变压器会将高压侧与输出端隔离开来,但要当心;操作员仍可能会受到反馈回路的高压影响。

MOSFET整流器:对于大电流输出系统,您可能最终在输出侧使用MOSFET来提供大电流整流。甚至可以在输出侧并联使用一组MOSFET,以提供大电流而不会造成击穿风险。 

间隙:如果您在高压下运行,请利用PCB设计工具中的间隙设计规则。您将要确保您的电路板不违反导体之间的电气间隙高的安全标准。

与大多数高功率系统一样,该布局很可能需要将散热器,风扇或同时安装在特定组件上。对于可能工作在500 W或更高功率的LED板之类的东西,最好的选择是使用金属芯PCB,因为金属芯将提供自然散热。关键焊盘上的散热孔也可以通过将热量倾泻到平面层中来提供帮助。

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