高頻LLC轉換器

　　在高壓電源轉換電路設計中，諸如電源噪聲、開關頻率、開關損耗、電源體積、可靠性等問題一直是關鍵所在。與其它的高壓拓撲結構相比，LLC轉換器因效率高且設計的電源體積小，在高壓電源適用領域一直受到設計師的青睞，不過其設計難度也非常大。

　　Power Integrations公司(PI)不久推出的HiperLCS系列LCS700-708高壓LLC電源IC，將變頻控制器、高壓端和低壓端驅(qū)動器以及兩個MOSFET同時集成到了一個低成本封裝中，具有出色的設計靈活性，其最高負載效率超過97%，并利用高頻開關來減小變壓器的尺寸和輸出電容的占板面積，由此達到縮小電源尺寸的目的。圖1所示為HiperLCS功率級的電路簡圖，其中LLC諧振電感集成在變壓器中。變頻控制器通過零電壓(ZVS)開關功率MOSFET，消除開關損耗，從而達到高效率。

　　設計結構和關鍵特性

圖1：典型應用電路LCD電視機或PC主電源

　　LLC轉換器設計比較復雜，最大的挑戰(zhàn)是需要合理配置所有電路以消除交叉?zhèn)鲗?，并對各種寄生元件進行精確的控制。據(jù)PI產(chǎn)品市場經(jīng)理Andrew Smith介紹，HiperLCS集成了關鍵元件，包括多功能控制器、高壓端和低壓端柵極驅(qū)動以及兩個功率MOSFET的LLC半橋功率級(可最多省去30個外圍元件)，并在制造過程中進行了微調(diào)以優(yōu)化驅(qū)動器中MOSFET的配對。該器件中的變頻控制器提供零電壓開關，從而消除了開關損耗。

　　HiperLCS器件的最高工作頻率為1MHz，額定穩(wěn)態(tài)工作頻率可達500kHz，并允許在輸出環(huán)路中使用低成本的SMD陶瓷電容，從而取代體積大、可靠性差的電解電容，同時還可降低所需磁芯的尺寸。它還可在750kHz峰值開關頻率下實現(xiàn)出色的變壓器利用率。另外，HiperLCS器件具有精確的占空比對稱性可平衡輸出整流管電流，從而提升效率。在300kHz下典型值為50% ±0.3%。

　　考慮到設計需求的不同，HiperLCS器件有兩種使用方式。對于高效率設計，其諧振控制電路可提供極低的功率損耗，能使設計在66kHz額定開關頻率下達到97%以上的效率。如果成本和尺寸決定設計準則，可優(yōu)先采用高開關頻率。在后面這種情況下，仍能實現(xiàn)較高效率，例如，在250kHz(獲得最大功率的頻率)下效率可達96%。 此外，HiperLCS器件允許用戶通過設置死區(qū)時間和軟啟動等關鍵電路參數(shù)來獲得最佳方案，從而達到改進設計的目的。在設計過程中，設計工程師可以應用PI的實時設計和建模工具PI Xls簡化電源設計。

　　保護及封裝

　　與PI其它電源IC一樣，HiperLCS具有全面的故障處理及電流限制，包括可編程的電壓緩升/跌落閾值和遲滯，欠壓(UV)及過壓(OV)保護，可編程的過流保護(OCP)，短路保護(SCP)和過熱保護(OTP)。在封裝上，HiperLCS系列采用的是適合高功率及高頻率的超薄eSIP-16C封裝，該封裝能夠降低裝配成本并減小PCB布局的環(huán)路面積，可通過一個夾片快速安裝到散熱片，可省去多個用于外部MOSFET的TO220封裝(圖2)。其外露的散熱金屬部分與地電位相連，使得封裝和散熱片之間無需Silpad導熱絕緣墊片。eSIP-16C的封裝引腳交錯排列，可簡化PCB的走線路徑并滿足高壓爬電要求，HiperLCS的推出完善了PI端到端的完整的電源產(chǎn)品，包括EMI濾波電路、PFC級和主電源及待機級電源。“采用HiperLCS器件的設計可輕松超出ENERGY STAR4.0和5.0，以及80PLUS金級和銀級PC能效標準所設定的性能基準。”Andrew表示，“HiperLCS可以與HiperPFS PFC等產(chǎn)品配合設計功能完整、高效率、低元件數(shù)的電源，可應用于服務器、工控、LCD電視機、LED路燈和室外照明、打印機和音頻放大器等75W~440W的高壓電源。”