Toshiba于100W LLC DC-DC转换器应用设计

 LLC架构属于双管半桥谐振，由谐振电感、励磁电感和谐振电容串联，采用零电压开关（ZVS）软开关技术，具有工作频率高、损耗小、效率高、体积小的优点，可提高充电器功率密度。其谐振操作可实现全负载范围的软开关，减小开关损耗。从而成为高频和高功率密度设计的理想选择，适合固定电压输出，EMI特性更好。传统反激架构在开关管关闭的瞬间，变压器漏感生成的谐振尖峰需要RCD吸收电路来吸收，这会在一定程度上降低转换效率，以及开关损耗也会降低转换效率，从而不适合更大功率输出。

优点： LLC变换器原边MOSFET ZVS 开通，输出二极管ZCS 关断，没有反向恢复问题，开关损耗小。适合应用于高频化，高功率密度设计。
缺点： LLC变换器仅在谐振点附近效率较高，不适合应用于宽输入电压范围，往往应用于前级带PFC 的场合。正常工作在谐振点附近，仅当输入关断时工作在宽输入，以获得较长的保持时间。

       通过改变输入谐振回路的方波电压频率可以稳定转换器的输出电压：由于工作区域为电压增益特性的感性部分，所以，当输出功率减小或者输入电压增加时，通过提高工作频率来稳定输出电压。考虑到这个问题，如果转换器工作点与load-independent point很接近，那么输出电压的稳定将会与宽负载变化相逆，相应地开关频率变化范围也会很小。明显地，输入电压范围越宽，则工作频率范围也会相应地变的更宽，因此，很难对电路进行优化设计。这也是目前所有的谐振拓扑结构中普遍存在的缺点。一般来说，大功率场合一般都有一级PFC电路。对于宽电压输入（85Vac～264Vac），经过PFC之后都会升压到400V，且变化范围不大（10％～15％）。所以对于前端有PFC的LLC电路来讲，LLC输入电压的波动很小，因此上述问题不是很严重。

       工作电压变化范围是：最小工作电压由PFC pre-regulator 持续能力决定（hold－up capability）during mains dips；最大工作电压由OVP线路的门限值决定。因此，当输入电压在正常值时，谐振转换器可以在load-independent point优化设计，而最小输入电压during mains dips交给谐振腔自身的提升能力处理，如工作点低于谐振点。

100W LLC DC-DC转换器应用設計：
规格如下 

使用LLC谐振电路方法产生12 V输出。LLC谐振电路交替打开/关闭主电路上的高侧MOSFET和低侧MOSFET，占空比为50%，并根据负载调整开启/关闭频率控制输出电压。当高侧MOSFET和低侧MOSFET切换时，提供死区时间以防止穿透现象。然而，在此期间，由于谐振操作零电压开关（ZVS），降低开关损耗并实现了高效率的电源。

参数设计：

最小开关频率（fPWM_min）设置为50 kHz

最大开关频率（fPWM_max）设置为430 kHz

变压器设计如下：

绕组比n=1

励磁电感Lm=6.97μH

寄生电感Lr=0.78μH

谐振电容Cr=4.7μH

下图显示在上述条件下开关频率和电压增益之间的关系：

输出电容值Cout可以设置为满足输出纹波电压（Vripple）和纹波电流的要求。如果输出电压纹波（Vripple）为100 mV，且最大负载为Imax，则输出所需的ESR为

当Imax为8.4 A时，ESR为7.6 mΩ。

流经输出电容器的纹波电流的RMS值（IC_rms）通过以下公式计算：


 

输出电容的选择必须符合上述ESR和（IC_rms）规范。
同时须注意以下几点: 

1. 负载突然变化时，输出电压会出现骤升和骤降，需确保能在规定的电压范围内。
2. 确保输出纹波电流范围。
3. 需考虑输出电容值的误差和老化现象。

量测效率：

东芝产品：

TPN7R504PL ( MOSFET )

規格書 : 
TPN7R504PL

应用：

　　● DC-DC转换器
       ● 电机驱动器
　　
特性：
 
       ● 开关速度快
       ● 门极和输出电荷电荷小  : QSW = 6.0 nC (typ.)， Qoss = 16 nC (typ.)
       ● 漏源导通电阻低   RDS(ON) = 5.6 mΩ (typ.) (VGS = 10 V)
       ● 漏电流小   IDSS = 10µA (max) (VDS = 40 V)
　　
主要规格：

TPH1R204PL ( MOSFET )

規格書 : 
TPH1R204PL

应用：

　　● DC-DC转换器
       ● 电压调节器
　　
特性：
 
       ● 开关速度快
       ● 门极和输出电荷电荷小  QSW = 17 nC (typ.)，Qoss = 56 nC (typ.)
       ● 漏源导通电阻低  RDS(ON) = 1.0 mΩ (typ.) (VGS = 10 V)
       ● 漏电流小  : IDSS = 10µA (max) (VDS = 40 V)
　　
主要规格：

TLP785 ( Photocoupler )

規格書 : 
TLP785

应用：

　　● 办公设备
       ● 家用电器
       ● 开关电源

特性：
 
       ● 具有高耐压性，隔离电压5000 Vrms (min)
       ● 集极-射极电压；80 V (min)
       ● 电流传输率：50% (min)
　　
主要规格：