基于FPGA+Si8235控制的LLC谐振变换器设计

潘海燕，蒋友明，张丽萍

(台州职业技术学院自动化研究所，浙江台州318000)

基于FPGA+Si8235控制的LLC谐振变换器设计

潘海燕*，蒋友明，张丽萍

(台州职业技术学院自动化研究所，浙江台州318000)

为了增加LLC谐振变换器控制灵活性，降低驱动电路的损耗，提出了基于FPGA控制和Si8235驱动的方案;分析了LLC谐振变换器的增益特性;对载波调制隔离驱动芯片Si8235的开通和关断时间进行了测试比较，设计加速关断的优化驱动电路;实验证明，LLC谐振变换器使用FPGA+Si8235组合的控制驱动策略，使电路更加简单，能实现更快的驱动速度，提高控制灵活性和增加性能效率。

LLC谐振变换器;软开关;FPGA控制;Si8235驱动

随着“能源之星”、欧盟EuP(Energy-using Products)等规范机构对电子产品效能的进一步要求，如何减小损耗、发挥效率潜能，给变换器的设计带来了新的挑战。与一般软开关变换器相比，LLC谐振变换器元件少，功率密度高，可实现开关管ZVS(Zero Voltage Switching)和整流管ZCS(Zero Current Switching)，具有很高的变换效率，获得了越来越广泛的关注［1-2］。

文献［3-5］中所列芯片是专用的半桥LLC谐振变换器控制和驱动芯片，非常适合于通用型变换器的开发制作。其中，L6599AT控制器内部集成了高压浮动驱动的自举二极管，常用于AC-DC变换器;NCP1395A内部集成了欠压、环路损坏等保护电路，适合于甚高开关频率场合;UCC25700是一片适合DC-DC的具有最少引脚的LLC控制芯片。选用专用芯片控制变换器，会带来一定的局限式，如不能根据电路分布参数要求灵活设置死区时间、不能根据电压增益要求设计更宽或更窄的频率范围等;同时，由于LLC谐振变换器为了实现ZVS环境，不能在待机或低负载时关闭谐振腔电流，虽然这些芯片内部都集成了适用待机模式的Burst控制电路，但在需要作一些轻负载策略调整如变模态控制［6-7］时，这些芯片会力不从心。

为了增加控制灵活性，本文对LLC谐振网络特性进行了分析，根据对隔离驱动型芯片Si8235性能参数的测试，设计了FPGA控制的优化加速关断电路，并制作实验样机进行了验证。

1 LLC工作原理分析

半桥LLC谐振变换器原理电路如图1所示。变换器包括:前级功率因数校正(PFC)电路，母线保持电容Cin，由Q1、Q2驱动开关管的方波产生器，由串联谐振电容Cr、串联谐振电感Lr和并联励磁电感Lm组成的谐振网络，变比为n:1:1的理想变压器T，VD1、VD2组成的整流电路，滤波电容CO以及负载电阻RO。其中Lr可以是一个独立元件，或者与变压器磁集成。

图1 半桥LLC谐振变换器

谐振网络的交流电压增益为:

电路的直流增益为:

根据交流电压增益方程式(1)，得到不同K、Q值下的谐振网络归一化增益特性曲线，如图2所示。

图2 归一化增益特性曲线

设计谐振参数后，K值固定，Q值由负载电阻决定。谐振网络的增益随着开关频率f的变化而改变，从而获得了不同的增益，其中最大增益和最小增益由开关最低和最大频率决定。当负载较重或输入电压较低时，电路开关频率fr2＜f≤fr，f越低于fr，Gac越大，实现开关管ZVS和整流管ZCS;当输入电压较高或负载较轻时，开关频率f＞fr，只有开关管实现ZVS，整流管ZCS条件丧失，随之带来需要考虑同步整流以减少开关损耗等问题。因此，设计谐振网络参数时，应尽量在额定负载时开关频率工作于fr。

2 驱动电路设计

为了保证LLC谐振变换器可靠工作，除了保证变压器原、副边的电气隔离外，还需对控制信号和互补驱动电路进行隔离，避免高边驱动所带来的浮地问题。由于LLC谐振网络工作开关频率高，传统的普通光耦隔离型驱动电路开关速度慢，延时长，已不适合变换器的要求。磁隔离虽然效果良好，但电路复杂，需要占用较大的电路空间，不符合功率密度要求。

Si8235芯片［8］是Silicon Laboratories公司最新的专用半桥驱动芯片，其内部集成了两路完全独立的驱动电路，峰值电流可达4 A、最高频率可达8 MHz;同时，该芯片在其前端采用专利的载波调制隔离技术，不但克服了光耦隔离的缺点，极大提高转换速率;并且能够提供最佳的噪音和干扰抑制，是一块理想的驱动+隔离型集成芯片，非常适于半桥电路的驱动。Si8235电路内部框图如图3(a)所示。引脚功能如下:

(1)VIA、VIB是与TTL电平兼容的逻辑输入端。VIA或VIB高电平时相应的输出VOA或VOB变高。输入/输出通道VIA和VOA、VIB和VOB，类似于光耦+驱动的组合，但不同的是，Si8235采用射频载波发射和接收而不是光调制隔离，这种简单的结构提供了一个强大的隔离通道。

(2)DISABLE为输出使能端，当DISABLE为高电平时，VIA、VIB输出变低。

(3)UVLO(Undervoltage Lockout)电路用于低电压保护，防止上电和关机时的误操作，为了做到有效隔离，输入侧电源VDDI和输出侧电源VDDA、VDDB，必须与其相应的地GNDI和GNDA、GNDB尽可能靠近引脚放置的去耦电容。

IR2110是早期传统的半桥驱动芯片［9］，若使用FPGA控制，需要“电平转换+高速光耦+IR2110” 3者组合;而若采用Si8235，则仅需一片即可，节省了大量的PCB空间，同时，后者的方案要比前者更节省元件成本。图3(b)为IR2110和Si8235采用+15 V供电时驱动MOSFET IRFP460的驱动上升沿和下降沿测试对比度波形，从图中可知，Si8235能较快上升到电源电压，而 IR2110在上升到门电压+10 V后缓慢上升，需要150 ns才能撤销驱动电压，而Si8235上升时较快到达+15 V，下降沿只须75 ns左右，上升下降时间更短，驱动能力更强，可以提高驱动效率。

图3 Si8235芯片原理图

设计的谐振变换器采用Si8235驱动，电路如图4所示。来自FPGA的控制信号接入Si8235控制输入端，若考虑引线距离较远，可加入施密特非门74HC14。上臂驱动电源采用VD1和C1组成的自举浮动电路，为了加速关断功率管，采用了VT1和VT2组成的饱和导通型关断电路。

图4 Si8235驱动电路

3 实验验证

制作LLC谐振变换器实验样机，采用Xilinx公司的Spartan 3E Starter Board产生开关频率控制信号，输出经PF871+TL431组成的反馈补偿环路，送入Spartan 3E开发板，利用FPGA实现PI数字控制算法调节输出频率，实现输出电压稳定。谐振网络额定输入电压Vin=310 V，输出电压Vo=24.0 V，谐振电容Cr=33 nF，谐振电感Lr=76μH，励磁电感Lm=512μH。测试额定负载和重负载下的各关键点电压电流波形，如图5所示。

图5 实验波形

当开关频率为fr时，Q1导通、Q2关断后，谐振电流iCr按频率fr上升，iLm因为副边的钳位而线性上升，iCr＞iLm，整流侧VD1导通整流，输出由VD1提供能量。到达谐振半周期时刻，iCr=iLm，整流侧二极管VD1截止，Q1关断。但此时Q2导通，谐振电流iCr按频率fr下降，iLm线性下降，iCr＜iLm，整流侧VD2导通整流，输出由VD2提供能量，直至下半周期结束，进入下一周期Q1导通、Q2关断。因此，负载电流io为由iVD1、iVD2交替续流、频率为fr的电流波形，而iCr是频率为fr的谐振正弦波。实验表明，变换器能根据设计要求输出稳定电压，并实现开关管的ZVS和整流管的ZCS。

4 结论

本文针对LLC变换器提出了FPGA+Si8235控制驱动策略，通过测试Si8235芯片的驱动能力，优化开关管开通和关断电路，保证了LLC变换器开关管ZVS和整流管ZCS软开关条件。实验证明，FPGA+Si8235控制驱动能实现灵活的半桥驱动开关频率控制，有利于减小电路尺寸，提升LLC谐振变换器的驱动效率。

［1］张振银，秦会斌，刘琦，等.基于LLC的半桥谐振变换器设计［J］.电子器件，2010(5):587-590.

［2］Fairchild Semiconductor，San Jose，CA.(2013，May).Online Seminars:Design Considerations for an LLC Resonant Converter［Online］.Available:http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/onlineSeminars/Design-Considerationsfor-an-LLC-Resonant-Converter-PPT.pdf.

［3］STMicroelectronics，Coppell，TX.(2013，March).L6599AT:Improved high-voltage resonant controller.［Online］.Available:http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00229137.pdf.

［4］ON Semiconductor，Phoenix，AZ.(2008，Sep.).NCP1395A/B:High performance resonantmode controller［Online］.Available:http:// www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1395-D.PDF.

［5］Texas Instruments，Dallas.(2008，Sep.).UCC25700:8-pin high performance resonant mode controller.［Online］.Available:http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf.

［6］Wang Bin，Xin Xiaoni，Stone Wu，et al.Analysis and Implementation of LLC Burst Mode for Light Load Efficiency Improvement［C］//Proc IEEE APEC，2009，58-64.

［7］FengWeiyi，Fred C Lee，Paolo Mattavelli.Optimal Trajectory Control of Burst Mode for LLCResonant Converter［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2013，28(1):457-466.

［8］Silicon Laboratories，Austin，TX.(2013，May).TechnicalDocs:0. 5 AND 4.0 AMP ISODRIVERS(2.5 AND 5 KVRMS)［Online］. Available:https://www.silabs.com/SupportDocuments/TechnicalDocs/Si823x.pdf.

［9］International Rectifier，Kansas St.(Data Sheet No.PD60147 rev. U).IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF:High and Low Side Driver［Online］.Available:http://www.irf.com/ product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.

Design of LLC Resonant Converter Based on FPGA+Si8235

PAN Haiyan*，JIANG Youming，ZHANG Liping
(Taizhou Vocational and Technical College，Taizhou Zhejiang 318000，China)

LLC resonant converter based on FPGA digital control and Si8235 driven is proposed to increase the flexibility and reduce the power loss of the driving circuit.Detailed analysis on gain characteristic of LLC resonant converter is presented.According to the test of the turn on and turn off time of the carrier modulation isolated chip Si8235 and making a comparison between them，an optimal driving circuit with cutting down turn-off time is designed and realized.The experiments show that LLC resonant converter combined with FPGA control and Si8235 driven strategy achieves simpler circuit，faster drive speed，and control flexibility and performance efficiency.

LLC resonant converter;Soft-switching;FPGA control;Si8235 drive

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.010

TM 46 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0038-04

2013-05-10修改日期:2013-06-11

EEACC:1290B

潘海燕(1972-)，男，汉族，浙江温岭人，台州职业技术学院教师，副教授，目前主要研究方向为电源变换器的设计和应用，panhy@msn.com;

蒋友明(1968-)，男，汉族，浙江温岭人，台州职业技术学院老师，副教授，主要研究方向为电子技术应用，jia6803@ 163.com。