半桥LLC谐振式通信电源的研究与设计

王天宇

摘 要：随着社会经济的发展，通信电源的设计直接影响到了通信质量，在进行设计过程中，要注重保证通信电源设计的安全性和可靠性，为通信提供稳定的服务。在对这一问题研究过程中，本文主要讨论了LLC谐振式通信电源的研究与设计，分析了LLC谐振式半桥变换器在小功率通信电源中的应用，对其工作原理以及相应的设计方法进行了分析。LLC谐振式通信电源的应用，与传统变换器相比，具有更高的效率性和可靠性，能够解决通信电源应用的实际问题。本文在研究过程中，以500W通信电源样机作为分析对象，对LLC谐振式通信电源如何进行设计，如何处理在设计过程中遇到的问题，进行了相关阐述。希望本文的研究，能够为半桥LLC谐振式通信电源应用提供一些参考和建议。

【关键词】LLC谐振式半桥变换器 通信电源 调频控制

通信设备在应用过程中，开关电源是其重要组成部分，开关电源设计的好坏，将直接影响到通信网络运行的最终效果。随着科学技术的快速发展，3G、4G移动网络得到了广泛地应用，在这一过程中，开关电源设计必须具有较高的可靠性和效率性，这样一来，才能够更好地满足人们的实际需要。在中小功率通信电源场合中，半桥LLC谐振式通信电源得到了较为广泛地应用，这一技术手段有效地提升了开关电源的可靠性，并能够在很大程度上提升EMI性能。该谐振式半桥变换器是一种新型的谐振变换器，利用三元件谐振调频控制保证电压输出具有较高的稳定性，能够更好地保证系统设备运行的可靠性。在研究过程中，本文以500W高性能通信电源作为研究对象，对传统设计模式进行改变，更好地对原有的设计方式进行优化，提升通信电源的性能和质量，更好地保证通信设备运行的安全性和可靠性。

1 半桥LLC谐振式变换器工作电路结构及原理

要想将半桥LLC谐振式变换器更好地应用于实际通信设备中，必须对这一技术手段的工作原理以及设计过程中应该注意的事项进行有效了解，弄懂技术手段的关键，这样一来，才能够真正发挥半桥LLC谐振式通信电源的功能和作用。

1.1 半桥LLC谐振式工作电路结构

在对半桥LLC谐振式工作原理分析过程中，我们可以从半桥LLC谐振式电路结构对这一问题进行分析，具体如图1所示。

如图1所示，我们可以看出，半桥LLC谐振式电路结构中，主要涉及到了Q1和Q2两个互补的开关管，这两个开关管的占空比为0.5，在设计过程中，驱动信号加入死区，能够有效地防止上下桥壁出现直通现象，从而保证电流能够正常地运行，在很大程度上保证了电源设计的安全性和可靠性。同时，在半桥LLC谐振式电路结构中，Q1和Q2的体二极管主要由Ds1和Ds2负责掌管，并且Ds1和Ds2作为二极管Q1和Q2的电容，使线路L之间形成一个谐振腔，从而利用L系列三个元件，能够更好地根据频率变化，对谐振腔的阻抗进行更改，保证了电压输出过程中，具有较高的稳定性。半桥LLC谐振式电路结构在应用过程中，需要考虑到变压器原边电压被钳位的问题，需要对L系列中不参加谐振的电感Lm进行处理。同时，LLC谐振式电路结构中，涉及到了两个谐振频率，这两个谐振频率分别为fr1和fr2，关于谐振频率问题，我们可以从下面公式中看出：

如上图公式所示，我们可以看出，在对谐振频率求解过程中，需要考虑到谐振频率的影响因素，即电路结构中的谐振电感，还需要考虑到谐振电容，其中谐振电感为Lm和Lr，谐振电容为Cr，通过对谐振电感和谐振电容的求解，可以对LLC变换器的谐振频率进行有效求解，保证在进行电路设计过程中，使整个电路具有更高的安全性和稳定性。

1.2 半桥LLC谐振式电路工作原理

半桥LLC谐振式电路在工作过程中，相对于谐振变换器而言，其工作模式涉及到了三种，当开关频率满足大于fr2，小于fr1时，LLC谐振式变换器处于最佳的工作状态，这样一来，在进行实际工作过程中，通过控制ZVS可以实现对开关的有效管理，并且副边二极管能够对ZCS进行管断处理。除此之外，另外两种工作模式下，LLC半桥谐振式变换器也能够进行工作，但是相比于上述频率范围内，效果要相对较差。接下来，本文就半桥LLC谐振式电路工作原理问题进行相关介绍，具体内容如下所示：

1.2.1 f处于[t1，t2]区间的LLC变换器工作过程

在这一过程中，LLC变换器在工作过程中，开关管S2处于导通状态，二极管VD1和VD2处于截止状态。在t0时刻，S2管断，相关内容我们可以从图2中看出。

如图2所示，我们可以看出，处于[fp，fr2]区间的LLC变换器工作过程中，电流is处于继续流动状态，在这一过程中，其电流流动的方向不会发生改变。但是C1处于放电状态，C2则处于充电状态，位于A点的电位呈现出电流上升的趋势，在上升到Us后，S1的体二极管处于导通状态，从而能够为ZVS创造有利条件，使其能够进行电流的有效传输。但这一过程中，原有的边绕组会出现较大的变化，VD1二极管处于开通情况，能够向负载提供能量，并且钳位选择过程中，以n×V为主。在对该电路进行分析过程中，我们需要考虑到Lp在工作过程中是否处于谐振状态，并能够根据电流以及斜率情况，对线性上升关系进行有效地把握。

1.2.2 f处于[t1，t2]区间的LLC变换器工作过程

在f处于[t1，t2]区间的LLC变换器工作过程中，我们需要对这一阶段的电路组成情况进行明确，并能够根据区间特点，对LLC变换器工作过程进行较好的分析，具体内容我们可以从图3中看出。

从图3中我们可以看出，在f处于[t1，t2]区间时，LLC变换器在工作时，出现了较大的变化，在t1过程中，S1栅极加上驱动信号，零电压开通的情况下，这就会导致Ns处于一种上正下负的情况，并且VD1处于导通状态，能够为负载提供一定的能量。在Lp和Vt的钳位选择上，依旧以n×V为主。同时，在对串联谐振问题分析过程中，我们可以看出，Cs和Ls处于谐振状态，并且斜率呈现出一种线性上升的趋势。

1.2.3 当f值处于理想工作状态下的Q1和D1变化情况

在f值处于理想状态下，主要是指开关频率满足大于fr2，小于fr1时，这一过程中，谐振频率保持在一个理想的状态。对此，在这一过程中，电路工作时具有更高的安全性和可靠性。关于这一情况，我们可以从图4中看出。

如图4所示，当Q1和Q2进入死区后，谐振电流会给Q2进行充电，但是这一过程中，Q1会处于放电状态，这样一来，就会导致Lr的电流会大于Lm中的电流，从而造成D1出现导通情况。当Q1体二极管开始导通后，Q1的开通时会结束，同时，Q1实现了ZVS的开通。除此之外，处于这一阶段后，f>fr2，D1和D2也不再是ZCS，Cs和Ls会处于串联谐振的状态，关于这一情况，我们可以从图5的LLC谐振半桥变换工作波形中看出。

如图5所示，我们可以看出，LLC谐振半桥变换器在工作过程中，由于D1和D2的变化，导致Ls和Lm数值出现较大的变化，从而导致变换器在工作过程中，波形出现较大的变化。

2 半桥LLC谐振式通信电源的设计

在进行半桥LLC谐振式通信电源设计过程中，需要考虑到相关参数设计问题，这是保证系统运行可靠性的关键。一般来说，在进行参数设计过程中，主要涉及到了最大与最小电压的增益和谐振网络参数两个方面内容，除此之外，在进行半桥LLC谐振式通信电源设计过程中，还需要考虑到设备电源的设计。

2.1 参数设计分析

在进行参数设计过程中，我们需要保证最大输入电压和最大输出电压之间能够保持一个相对平衡的状态，并根据APFC的标称输出电压问题进行有效考虑，能够对最小输入电压进行确定。在对这一问题分析过程中，我们可以从下面公式中进行分析：

在这一过程中，我们需要对这一取值问题进行有效分析，该值表示PFC在输出电压争议与谐振频率的增益对应关系，这一增益效果与Lp和Ls的比值k有着密切的联系。其中，k主要代表了谐振频率的比值。当峰值处于增益的情况下，k值较大，MOS在导通过程中，会出现较小的损耗，反之，若是k值较小，峰值增益较低的情况下，MOS在导通过程中，可能会面临较大的损耗问题。在对电压增益值计算过程中，我们主要考虑到最小电压增益和最大电压增益两个问题，具体可从下面公式中看出：

除此之外，在进行参数设计过程中，为了更好地提升LLC半桥变换器的性能，我们需要对其进行优化设计，这就需要考虑到参数优化问题，本文在对该问题研究过程中，主要从MOS管实现ZVS的限制条件角度出发，探讨了谐振频率问题。一般来说，在利用MOS管实现ZVS过程中，需要保证最高输出电压能够大于ZVS所需要的能量，保证电感电流的最大值为I，I的取值我们可以从下面公式中看出：

在上面公式中，Cgps主要是指半桥离散点，Cstry代表电容所需要的充满电流。在对MOS管问题分析过程中，需要考虑到I的最终数值，这一数值若是较大，需要对其进行修正，保证其能够满足LLC谐振半桥变换器设计的实际需要。

2.2 变压器设计

在利用LLC谐振半桥变换器进行电源开关设计过程中，考虑到相关参数设计外，还需要对变压器进行有效设计。由于在电路中，激磁电感与谐振电感处于并联的状态，这一过程中，为了更好实现变压器等效效应，需要对其集成2个电感，变压器的变化情况如下：

这样一来，为了更好地满足电路设计需要，考虑到趋肤效应时，选择的初级电源线匝数为184匝，铜线选取过程中，直径应为0.1mm，并且原边采用5股，副边可采用50股。变压器设计过程中，主要考虑到了谐振电感的数量级问题，需要保证其数量级选择能够满足变压器结构，并能够对漏感值问题进行有效地处理。

3 500W的LLC谐振半桥变换器应用

本文在对LLC谐振半桥变换器通信电源设计问题研究过程中，以500W通信电源为研究案例，关于500W通信电源原理，我们可以从图6中看出。

在进行500W通信电源设计过程中，需要考虑到APFC和DC两级，其中，对于APFC设计主要以“Boost”拓扑方式为主，驱动芯片选择上，以L6562型号为主。在对DC级设计过程中，这采取了LLC谐振半桥变换器，其选择的芯片型号为L6599。LLC谐振半桥变换器应用过程中，变换器直流电压为400V，输出电流为10A，在设计过程中，需要保持时间在20ms范围内。其中，APFC的输出电容为2×330μF。针对于这一情况，在进行设计过程中，Gmin的取值为1.12，Gmax的取值为1.25，同时，Cs为两个电容串联，电感Lp的取值为280，整流二极管为60CPQ150。

在进行设计和应用过程中，需要对ClassB的取值进行限制，并能够尽最大可能地保证EMI具有较好的性能。关于EMI测试问题，我们可以从图7中看出。

如图7所示，我们可以看出，通过交错PFC技术，利用同步整流技术，能够更好地提升LLC半桥谐振变换器的效率，从而发挥低EMI优势。

4 结束语

综上所述，我们可以看出，在进行LLC谐振半桥变换器设计过程中，要注重对LLC谐振半桥变换器工作电路、工作原理进行把握，保证设计过程中，能够严格按照相关标准进行。同时，在LLC谐振半桥变换器工作过程中，要考虑到“最佳条件”问题，即保证谐振频率处于一个最佳条件，更好地提升谐振半桥变换器能够具有较好的性能和状态，从而使其在工作过程中，发挥作用。在研究过程中，本文列举了实际案例，通过利用500W的LLC谐振半桥变换器应用，可以更好地了解到LLC谐振半桥变换器在开关电源设计中起到的重要作用，这对于指导实践活动来说，有着重要的指导性意义。因此，在应用LLC谐振半桥变换器过程中，要注重对实际情况进行结合，保证LLC谐振半桥变换器能够在电源开关设计中，真正发挥作用。

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作者单位

武汉轻工大学电气与电子工程学院 湖北省武汉市 430023