LLC谐振转换器设计和PCB布局布线

| 已创建：November 11, 2020 | 已更新：February 2, 2021

DC-DC转换器很难设计，甚至可能伴随风险，尤其是当我们考虑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结构中，除非您查看电力电子公司的应用说明，否则很少会讨论LLC谐振转换器设计。这些转换器是高功率系统的关键部分，例如LED灯组、电器、台式机和服务器电源以及许多其他电源转换系统。

一旦着眼于实现反馈环路的控制算法和方法，LLC谐振转换器设计就会开始显示其价值。您可以实现用于升降压型转换器的相同类型的控制算法，以适应衰减或过多纹波的电源，也可以通过这种类型的隔离式开关转换器达到更高的输出功率。当您准备好为这些系统创建PCB布局布线时，您需要记住一些关于安全、热管理和噪声抑制方面的要点。

LLC谐振转换器设计

LLC谐振转换器是一种隔离式开关转换器，为开关信号选择合适的频率以控制输出电压。这与标准的开关转换器（例如，降压或升压拓扑）形成鲜明对比，后者的输出需要通过开关信号的占空比来实现控制。这些系统有许多高功率应用，包括在具有交流电源输入的系统中。

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。如果我们要处理交流电源，可以在这里放置一个EMI滤波器。请注意，LLC谐振转换器设计并不严格要求PFC级，但它会保持高功率转换效率，就像在任何其他开关稳压器中一样。

全桥与半桥开关

LLC谐振转换器设计中的开关元件有两种可能的配置。全桥开关电路有4个MOSFET，而半桥开关电路有2个MOSFET。这些元件以相同的方式打开和关闭，桥式整流器中的二极管在提供交流电源时在正向和反向偏压之间切换。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，因为频率控制所需的电容器可以直接放置在半桥电路（C1和C2）中。

输出整流

输出侧的整流可以通过多种方式应用。这里的目标是控制电流的方向，使输出始终为直流。输出侧的电容器会在桥接部分切换时消除任何纹波。在更简单的LLC转换器中，输出整流由二极管提供，而更高电流的LLC谐振转换器设计可能使用MOSFET在输出侧提供整流。

控制输出

通过在变压器上选择适当的匝数比来设置输出，就像使用交流电路一样。然而，通过调节发送到开关电路的驱动信号的频率，即可控制在变压器的初级侧看到的电压大小。该驱动信号是占空比约为50%的脉冲频率调制（PFM）信号。

由于电路中唯一的电阻是MOSFET的导通电阻和变压器/电感线圈的绕组电阻，LC谐振箱电路将有一些增益。典型的增益值是1到1.5。随着输出功率下降，驱动器需要调整PFM信号频率并使系统更接近谐振。通过这种方式，可以通过在变压器的初级侧利用足够的增益来增加输出功率。

带反馈的LLC谐振转换器设计 — *图 3. LLC谐振转换器设计中的反馈控制。*

这种类型的控制方法非常简单，只需通过反馈环路、电流或电压检测电路以及MCU即可实现，如图3所示。此外，集成的PMIC也可以提供这种传感功能，并提供驱动桥电路所需的脉冲信号。通常需要光耦合器来感测输出并将其反馈到输入以调整开关频率，这将允许将感测到的输出传回初级侧，同时保持隔离。完成电路设计并选择全部所需的元件后，您需要考虑如何将其全部纳入PCB布局布线。

PCB布局布线中的元件放置

由于LLC谐振转换器设计通常用于中等高压系统，因此需要遵循一些基本设计技巧：

输出变压器：在放置最终变压器时，请遵循隔离式直流电源的最佳实践。变压器会将高压侧与输出隔离开来，但要注意这一点；操作人员仍可能暴露在反馈回路的高电压下。
MOSFET整流器：对于高电流输出系统，您最终可能会在输出侧使用MOSFET来提供高电流整流。一组MOSFET甚至可以在输出侧并联使用，以便在不冒击穿风险的情况下提供大电流。
间隙：如果在高压下工作，请利用PCB设计工具中的间隙设计规则。您要确保电路板不违反关于导体之间具有高电位差间隙的安全标准。
隔离：如上所述，需要使用光耦合器将已感测的输出传递回控制器IC上的反馈引脚来保持隔离。变压器还需要提供某种频率/电压限制以下的某种程度的隔离电压，这可能会在行业标准（IEC或UL）或法规中有所规定。

与大多数高功率系统一样，布局布线很可能需要散热器、风扇或两者兼有，或者安装到特定元件。对于可能以500W或更高功率运行的LED板，最好的选择是使用金属芯PCB，因为金属芯会提供自然散热。关键焊盘上的热通孔也可以将热量注入平面层以提供帮助。

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关于作者

Zachariah Peterson拥有学术界和工业界广泛的技术背景。在从事PCB行业之前，他曾在波特兰州立大学任教。他的物理学硕士研究课题是化学吸附气体传感器，而应用物理学博士研究课题是随机激光理论和稳定性。他的科研背景涵盖纳米粒子激光器、电子和光电半导体器件、环境系统以及财务分析等领域。他的研究成果已发表在若干经同行评审的期刊和会议论文集上，他还为多家公司撰写过数百篇有关PCB设计的技术博客。Zachariah与PCB行业的其他公司合作提供设计和研究服务。他是IEEE光子学会和美国物理学会的成员。

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