半桥LLC谐振式通信电源设计

应荣辉

（浙江省绍兴市上虞区职业中等专业学校，浙江 上虞 312300）

0 引 言

作为保障通信系统稳定运行必不可少的重要设备，对通信电源的研究始终是业内热门。现阶段的通信电源整体运行效率偏低，通信网络中很多老旧的通信电源模块实际运行效率仅约85%[1]。如果能将效率提高至98%，即使在低负载下依然可以做到高效率运行，搭配更先进的休眠技术就可以实现系统效率的最大化。DC/DC谐振式通信电源以其高可靠性、高效率、高功率密度成为通信电源电路设计的首选。逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）谐振变换器可有效提功率密度和开关管工作频率，同时实现高效率。此外，在变换器前增加一个有源功率因数校正电路可有效提高通信电源系统的功率因数和运行效率，因此结合有源功率因数校正电路和DC/DC谐振变换器的优点提出两级通信电源电路设计方案，旨在有效提高通信电源的运行效率，促进通信系统的不断发展。

1 总体设计方案

本次设计的通信电源为有源功率因数校正电路和DC/DC谐振变换器两级结构。其中有源功率因数校正电路可以在确保通信电源可靠、体积小巧的基础上实现不低于95%的功率因数[2]。DC/DC变换电路采用软开关LLC半桥谐振变换器，可以满足高效率要求。两级电路均设置了保护电路，以保证通信电源的运行稳定性。同时为了实现自动化控制，分别在原边、副边接入单片机，通过电源管理总线（Power Management Bus，PMBus）进行监控，通信电源系统框架如图1所示。

图1 通信电源系统框架

2 有源功率因数校正电路拓扑设计

本次设计的通信电源系统采用Boost型有源功率因数校正电路，其电路原理如图2所示。

图2 Boost型有源功率因数校正电路

按照不同的电感电流类型，Boost型有源功率因数校正电路工作模式可分为连续电流模式、断续电流模式、临界连续模式。这3种模式各有优劣，适用于不同的场景[3]。连续电流模式（Continuous Current Mode，CCM）工作模式的电感电流始终非零，电流比较平稳，适用于功率不低于250 W的电路。因此，本次设计的通信电源Boost型有源功率因数校正电路采用CCM模式。在该模式下，接通开关Q，输入电压为Uin，开关Q、电感L形成回路。输入电压Uin对电感L充电，L的线圈做左加右减，电流线性增加，输入电压Uin未输出能量，负载能量来自电容器C中。断开开关Q，输入电压Uin向负载输出能量，同时电感也向负载传递能量，并为电容器充电，此时输出电压UO大于Uin，并开始下一个周期。Boost型有源功率因数校正电路功率因数高，输入电流是连续的。由于开关管Q的驱动信号与输出共地，电感L的电流电与输入电流回路相同，因此可以通过控制电感L的电流控制Boost型有源功率因数校正电路的输入电流。

3 DC/DC谐振变换电路拓扑设计

本次设计的主要目的是有效提高通信电源的运行效率与可靠性，更好地满足人们的通信需求，仅有低损耗、低线压功率的功率管无法满足这一需求，因此需要从更有效的电路拓扑入手[4]。目前应用广泛的谐振变换器可以实现电压或电流周期性过零，从而实现软开关，最终达到降低开关损耗，提高变换器效率的目的。因此，本次设计的通信电源系统选用LLC半桥谐振式变换器作为主要变换器，其电路基本原理如图3所示。

图3 LLC半桥谐振变换电路原理

LLC半桥谐振变换器的优点主要包括以下几点[5]。一是即使负载波动很大，LLC半桥谐振变换器的开关管也能支持零电压开通，开关管开通损耗更低；二是LLC半桥谐振变换器输入电压较高时，开关线损依然可以保持较低水平；三是变压器副边整流二极管可实现零电流关断，降低了二极管反向恢复造成的关断损耗；四是LLC半桥谐振变换器可通过磁集成技术将谐振和励磁电感参数集中在变压器上，从而达到缩小磁性元件体积的目的。

LLC半桥谐振变换器存在两个谐振频率。一个是电容Cr、电感Lr参与谐振，励磁电感不参与谐振，此时谐振频率为fr；另一个是电容器Cr、电感Lr、励磁电感Lm共同参与谐振，此时谐振频率为fm。两种谐振频率的计算公式为：

当开关频率fs＞fm时，MOS管工作在LLC电压增益曲线ZVS范围内，此时MOS管开关损耗比工作在ZCS区域时小。当负载较低时，LLC半桥谐振变换器的开关频率几乎没有变化，即使没有负载的情况下LLC半桥谐振变换器也可以做到零电压开关。当开关频率处于fm＜fs＜fr时，LLC半桥谐振变换器基本运行过程如下。

图4 LLC半桥谐振变换器基本阶段一

（1）阶段一（t0-t1）。如图4所示，t0时，开关Q2关断，此时输入电压为母线电压Um，谐振电流ir大于激励电流im；二极管Q1接通，谐振电流ir增大，而负载两端电压不变，励磁电感Lm两端电压也不变；im继续增大，此时只有电容Cr、电感Lr参与谐振，能量回流到输入端，谐振电流为正弦波形，当谐振电流上升到零时，进入阶段二。

（2）阶段二（t1-t2）。：如图5所示，该阶段谐振电流ir从负到正，此时开关管Q1上加一个栅极导通信号，开关管Q1导通，整流管D1导通。变压器原边电压钳位，励磁电感Lm充电，不参与谐振，能量从输入转移到输出，谐振振电流等于励磁电流im和整流管D1不输出电流。

图5 LLC半桥谐振变换器基本阶段二

（3）阶段三（t2-t3）。该阶段开关管均断开，变换器处于死区状态，但初级谐振电流ir和励磁电感电流im保持不变，电容向负载输出能量。此时，开关管Q1的寄生电容充电，使Q1两端电压上升到Un，Q2的寄生电容放电，Q2两端电压降至零，Q2体二极管导通。

（4）阶段四（t3-t4）。该阶段的开关管均保持断开，但Q2中体二极管接通，Q2零电压接通。此时励磁电感Lm的电压反向，次级整流二极管导通，初级谐振电流流过励磁电感Lm、体二极管。谐振电流ir小于im，此时开关管Q2接通。

（5）阶段五（t4-t5）。t4时刻，开关管Q1依然保持断开，Q2体二极管接通，为Q2导通创造条件。整流管D2接通，此时原边电压上负下正，Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，能量由输入传递到输出端。t5时，谐振电流降为零，此阶段结束。

（6）阶段六（t5-t6）。t5时，开关管保持断开，整流管D2接通，变压器初级绕组关断。电压被钳位，励磁电感用这个电压线性充电，不参与谐振，能量从输入转移到输出。t6时，ir=im，整流管D2电流为零。

（7）阶段七（t6-t7）。在t6时，ir=im，流过变压器原边的电流为零，此时励磁电感不被输出电压钳，参与谐振，整流管均不接通，输出电容器为负载提供能量。至此，开关管Q2在t7时断开，该阶段结束。

（8）阶段八（t7-t8）。在t7时刻，开关管均断开，但Q1可实现零电压切换。谐振电流ir逐渐增大，整流管接通，能量经变压器传递给负载。t8时，谐振流量从负转正，阶段结束后回到t0。

4 结 论

针对LLC半桥谐振通信电源电路进行设计，提出有效功率因数校正电路+DC/DC软开关谐振变换器的设计方案。谐振电感、谐振电容的运用实现了软开关功能，LLC谐振变换器的运用大大提高了整个系统的运行效率和可靠性。通过控制开关频率处于适当区间（fm＜fs＜fr）实现原边功率管的零电压断开与接通，从而提高通信电源系统运行效率。