LLC电源的设计调试

    今天正式更新。

    关于LLC电源的讲解准备分为六大步骤，第一步LLC半桥拓扑原理讲解，第二步LLC半桥拓扑仿真，第三步LLC半桥小信号分析，第四步LLC半桥闭环电路仿真，第五步LLC半桥完整电路仿真，第六步LLC电路设计及计算，第七步LLC实物调试。

    LLC电源属于软开关电源系列，这一类拓扑可以实现零电压开通及零电流关断。我们学习LLC拓扑是否需要先从软开关电源着手呢，个人认为没有必要。把LLC电源拓扑当作一种常规的拓扑学习可能心态会平和很多，畏惧心也会小一点。

    初学者不应该把LLC拓扑想的过于复杂。一件事情想的过多，只会加剧自己的畏惧心理及抗拒情绪。抱着遇到问题解决问题的心态去学习，我认为是比较科学的学习心态。

    半桥串联LLC拓扑分为三大组成模块，分别是方波发生器，谐振网络及整流滤波环节。其中方波发生器用于将直流电压转换为脉冲方波输出至后级谐振网络。谐振网络通过变压器的漏感（Ls），初级电感(Lp)及串联电容(Cr)形成谐振,促使变压器初级侧电压及电流错相，实现零电压开通，零电流关断。

LLC零电流关断，这一说法，还是有点勉强的。

LLC零电流关断区域是工作频率接近谐振点到低于谐振点这一区域，但通常的LLC应用，都没有工作在这一频率区域。

    继续更新。

    上文讲解了LLC拓扑的结构组成，由其拓扑可以知道LLC电源拓扑的核心同时也是难点就在于其谐振网络的分析。要想真正把LLC谐振网络理解透彻必须将谐振网络涉及的参数均标注出来，只有让它充分曝光，才能使大家对其原理有较深的印象。

    下图为LLC谐振网络的详细参数图：

    由上图可以知道LLC谐振网络的核心其实还是变压器，只不过常规的硬开关电源我们都希望变压器的漏感越小越好，而对于LLC电源则需要通过工艺控制其初级漏感的数值，使其可以参与电路某个时间段的谐振。

    如果大家有心，可以将全桥LLC拓扑和硬开关全桥拓扑进行比较，大家会发现所谓的全桥LLC只不过是引入了LC谐振单元而已。硬开关全桥拓扑变压器其实也存在谐振，这类谐振是由其变压器漏感以及电路存在的各类杂散电容产生的，只不过由于变压器漏感及杂散电容数值过小，其组合所产生的谐振对电路本身的时序并无实质性影响，所以被大家可以忽略。

    换句话说，在硬开关全桥拓扑的基础上人为加大变压器漏感及谐振电容参数使其所产生的谐振波足以影响电路拓扑的时序，个人认为这便是全桥LLC拓扑诞生的初衷吧，仅仅是猜测而已。对于知识，我喜欢溯源，喜欢站在初创者的角度来阐述自己的想法。

    前文讲解的LLC谐振网络可以看作是由初次级漏感，激磁电感及理想变压器组成。通过交流等效电路分析法可以将LLC拓扑进一步简化，下图为交流等效模型：

    从交流等效电路的角度分析，可以发现LLC拓扑有两个谐振频率，分别为f1=1/(2pi*√￣Lr*Cr)，f2=1/(2pi*√￣Lp*Cr)。实际电路调试中保持次级开路测得初级电感量即为Lp，短路次级测得的初级电感量为Lr。

    上面整了一堆公式有什么意义呢？通过上述两个谐振频率点与变换器本身的驱动频率f的对比可以约束LLC拓扑的谐振频率范围。大家可以对比f1，f2及f的关系得出何时能实现功率管的软开关。当工作与轻载状态时，谐振频率为f2=1/(2pi*√￣Lp*Cr)，此时漏感，初级电感均参与谐振，此状态电路工作频率较低。当工作与重载状态，谐振频率为f1=1/(2pi*√￣Lr*Cr)，此时仅仅是初次级漏感参与谐振，该阶段电路工作频率较高。

    LLC电源拓扑其谐振网络阻抗特性是偏容性还是感性呢？当为容性特性时，电流超前电压90度，当为感性特性时，电压超前电流90度。因为LLC谐振网络需要保证电压超前电流，所以其谐振网络阻抗特性为偏感性的。

    为保证谐振网络为感性特征，必须确保其开关频率大于谐振频率f2。通常谐振网络的频率为f2

    前文讲解了LLC拓扑部分的电路特性，接下来我们讲讲LLC拓扑的工作原理。通常LLC拓扑的工作状态被人为地分成六个时序段，理解了这六大时序才算真正理解的LLC拓扑的工作原理。以下六步骤来源于ST的技术手册，后续我会将参考的技术文献均共享给大家。

    开关频率fsw等于或大于f1=1/(2pi*√￣Lr*Cr)时，下图为第一阶段LLC拓扑工作状态时序图，暂名为时序图1：

    在谐振网络的作用下，初级侧电流方向为左负右正，电流经过Cr，Ls及功率管Q2形成回路，此时初级侧主电感（激磁电感）处于短路状态，不参与谐振。次级侧感应的电压方向为上正下负，D2导通，初级侧能量经变压器传送至次级侧负载。

    当谐振频率f1=开关频率时，LLC拓扑进入第二个时序状态，下图为时序图2：

此时功率管Q1,Q2均截至，次级D1,D2也处于截止状态。由于次级侧无电流，D2属于自然关断。初级侧谐振电流用于给Q1,Q2的体电容充电。次级侧负载通过滤波电容提供能量。

    在第二阶段初级侧谐振电流给上管Q1的体电容充电，当体电容电压大于体二极管的导通电压时，体二极管导通，谐振电流经体二极管流向输入端，此时开通Q1可以实现ZVS。接下来即进入第三阶段，下图为时序图3：

谐振电流经Ls,Cr,Q1流入输入端，次级侧产生的感应电压为上正下负，经D1传送至输出端。

    第四阶段，打开功率MOS Q1，由于体二极管电流导通，此时功率MOS的开通没有电压损耗即实现了零电压开通。电源电压经Q1，Cr，Ls形成回路。变压器次级电压为上正下负，整流二极管D1导通，能量由初级经次级传输至负载端。下图为时序图4：

    第五阶段，此时功率MOS关断，电源电压经体电容及Cr，Ls，Lp形成回路，同时给Q2的体电容充电，为Q2的零电压开通做准备，负载由输出滤波电容供电。下图为时序图5：

    第六阶段，当Q2的体二极管电压大于体二极管导通电压，二极管导通，此时功率MOS实现零电压开通，变压器次级感应电压为上正下负，D2导通，如此周期性循环工作形成LLC拓扑的工作流程（开关频率等于或大于谐振频率f1），下图为时序图6：

    接下来我们开始讨论f2此一阶段激磁电感将参与电路谐振。下图为时序图1，上电初始状态和前文时序图一样，Q1断开，Q2导通，谐振电流经Ls，Cr，Q2形成回路，变压器次级感应电压使D2导通，为负载及滤波电容提供电能。时序图1如下所示：

    第二阶段，由于f2及谐振电容Cr均参与谐振，且功率MOS Q2依旧导通，同时次级侧二极管D1，D2均未导通，负载由输出端滤波电容提供能量，下图为时序图2：