LLC串连谐振半桥变换器在LCD TV电源中的应用

　　摘 要:介绍了采用NXP(原PHILIPS)公司LLC专用芯片TEA1610设计的LCD TV电源DC/DC隔离变换器,并描述了LLC串连谐振半桥变换器的工作原理、设计方法及其优缺点。
　　关键词:LLC串连谐振半桥变换器ZVS效率交调
　　中图分类号:TM425 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2010)09-0142-04
　　
　　1 引言
　　液晶电视(LCD TV)由于其高分辨率的画面和薄型化的结构受到广大用户的欢迎,并且由于其价格下降,使它正逐步取代传统的显象管(CRT)电视。但由于LCD TV薄型化的需要,对LCD TV的内置电源也提出了比较高的要求:体积小、高度低、干扰小,特别是对于大尺寸(42寸及以上)的LCD TV,由于整机消耗功率大,用传统的反激或正激电路要同时做到体积小、干扰小是比较吃力的。LLC串连谐振半桥变换器因其开关管工作在零电压开关状态(ZVS)下,电路效率高,电磁干扰(EMI)小,可以比较容易实现体积小、干扰小的要求,因此特别适合应用在LCD TV电源中。另外,由于LCD TV电源均为多路输出,而LLC电路的多路负载交叉调整(交调)特性要明显优于正激、反激等电路,因此交调特性的改善也是在LCD TV电源中应用LLC电路所获得的效果之一。
　　
　　2 系统结构
　　LCD TV电源的系统框图如图1所示,主要由EMI滤波模块、整流模块、PFC模块、DC/DC(隔离)变换模块和待机电源(隔离)模块组成,本文所要介绍的LLC串连谐振半桥变换器就是应用在DC/DC(隔离)变换模块电路部分的。
　　LLC电路在此实现的功能是将PFC电路输出的400V直流电压转换为24V、12V、5.5V直流电压,并且满足输入输出安全隔离的要求,此电路的电路结构图如图2所示(为了方便电路原理的分析,此电路结构图为单路输出结构)
　　图中Vin为输入电压,Vout为输出电压,Q1、Q2为半桥电路的开关管,Lr、Lm和Cr组成LLC谐振电路,变压器次级经全波整流、滤波后获得直流输出电压。
　　
　　3 工作原理
　　3.1 工作波形分析
　　LLC电路的工作电压、电流波形如图3所示。图中ILr为ILm与INp之和。
　　t0～t1:Q2关断,变压器初级只有励磁电流ILm流过,ILr给下桥臂Q2 DS端的寄生电容充电,VDS2电压上升,次级二极管D1、D2均截止。
　　t1～t2:VDS2电压上升到最大值,ILr流过Q1体内二极管,VDS1电压为负的二极管的正向压降。t0～t2为Q1、Q2的死区时间。
　　t2～t3:Q1零电压导通,Q1导通后,谐振电感Lr的电流反向减小后又正向增大,二极管D1导通,且由于LC谐振,Lr和D1电流波形为正弦波形状。
　　t3～t4:变压器Ns1两端电压减小到不足以使二极管D1导通,D1电流减小到0,变压器初级只有励磁电流ILm流过。
　　t4～t5:Q1关断,下桥臂Q2 DS端寄生电容放电,VDS2电压下降。
　　t5～t6:VDS2电压下降到最小值,ILr流过Q2体内二极管,VDS2电压为负的二极管的正向压降。t4～t6为Q1、Q2的死区时间。
　　t6～t7:Q2零电压导通,Q2导通后,谐振电感Lr的电流正向减小后又反向增大,二极管D2导通,且由于LC谐振,Lr和D2电流波形为正弦波形状。
　　t7～t8:变压器Ns2两端电压减小到不足以使二极管D2导通,D2电流减小到0,变压器初级只有励磁电流ILm流过。
　　由以上分析可知,开关管Q1、Q2导通时其DS两端电压均接近于0,而开关管关断时是容性关断的,因此开关管工作在零电压开关(ZVS)状态下。在传统的PWM硬开关变换器中,开关管的开通损耗占总的开关损耗的绝大部分,而LLC变换器的开通损耗几乎等于零。因此LLC变换器的效率比PWM硬开关变换器的损耗更小,效率更高。在电磁干扰(EMI)方面,由于开关管工作在ZVS状态下,dv/dt和di/dt的数值要比PWM硬开关变换器的数值要小得多,而dv/dt和di/dt的数值越大,EMI越强,因此LLC变换器的EMI比PWM硬开关变换器的要小得多。
　　3.2 LLC变换器的工作区域
　　LLC串连谐振半桥变换器的工作原理与传统的PWM变换器的工作原理完全不同,它始终工作在50%占空比的状态下,通过改变工作频率来改变变换器的增益,从而实现在不同负载和输入电压的情况下保持输出电压恒定,它是一种PFM变换器。LLC谐振回路的等效电路如图4所示,其直流电压增益曲线如图5所示。
　　图6中横坐标为归一化频率f/fr1,纵坐标为电压增益
　　其中
　　
　　由图6可知,LLC谐振变换器存在fr1和fr2两个谐振频率,而且当工作频率f大于谐振频率fr1时,不管负载大小,变换器都工作在ZVS状态下;当f介于fr1与fr2之间时,得视负载大小来判断变换器是工作在ZVS还是ZCS状态下;当f小于fr2时,变换器都工作在ZCS状态下。在实际应用中一般都是让变换器工作在ZVS区域,以获得高效率,第2.1节所介绍的工作波形就是工作在fr1与fr2之间的ZVS区域的工作波形。当变换器工作频率f大于fr1时,ILr和ILm波形如图6所示。在此种状态下,没有了图4所示的t3～t4时间段,而且次级二极管电流在t6时刻才减小到0,图7是次级二极管D1、D2电流的叠加图。
　　在实际应用中一般使变换器在重负载状态下工作在fr1与fr2之间的ZVS区域或fr2附近的区域,而在轻负载状态下工作在大于fr1的区域,另外,还需要避免变换器工作在ZCS区域,因为在ZVS区域,增益随频率的增大而减小,变换器工作在负反馈环路系统中,而在ZCS区域,增益随频率的增大而增大,变换器工作在正反馈环路系统中,系统将无法稳定工作。
　　
　　4 设计实例
　　4.1 电路原理图
　　下面介绍利用NXP(原PHILIPS)公司的一颗LLC专用Controller(集成Driver)设计的LLC变换器,其电路原理图如图8所示。
　　4.2 LLC谐振参数及变压器设计
　　变压器是LLC谐振变换器的核心器件,它起着初次级之间的能量传递和隔离的作用,而且它的参数直接影响着变换器的直流增益特性。此变压器是磁集成式变压器,经过对变压器绕组结构的控制,使变压器原边呈现较大比例的漏感Lr,而这样做的好处是使LLC谐振电路不需要格外增加谐振电感,从而可以减小电源的体积,增大电源的功率密度。另外,此变压器工作在其磁滞曲线的1、3象限(正、反激电路的变压器只工作在1象限),因而其变压器体积可比正、反激电路的变压器体积小一半。对照图2可知,Lr为变压器初级的漏感,Lm为变压器初级电感减去Lm后的励磁电感。另外,由于此种变压器有较大的漏感,因此变压器初级与次级的耦合系数小,初级与次级间的分布电容也小,这可以有效降低电源电磁兼容(EMC)的共模干扰。变压器的实物图片如图9所示。
　　下面简要介绍一下变压器的设计方法:
　　1、通过Ap选择磁芯大小
　　
　　式中:Ap-磁芯有效截面积与线圈有效窗口面积的乘积
　　Ae-磁芯有效截面积
　　Aw-线圈有效窗口面积
　　Po-输出功率(W)
　　K-0.014(正、反激变换器,推挽中心抽头等);-0.017(全桥、半桥等)
　　△ B-磁通密度变化量(T)
　　fT-变压器工作频率(Hz)