摘要：設(shè)計(jì)了一種以UC3863芯片為核心控制芯片的開關(guān)電源，其電路采用半橋結(jié)構(gòu)的LLC諧振電路，帶有PFC電路，且整個(gè)電路設(shè)計(jì)有自限流功能。分析了LLC諧振變換器整個(gè)電路的工作原理及自限流功能的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合交流220 V輸入1KW輸出電路，分別對(duì)PFC電路和主電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；LLC諧振；PFC電路；自限流；UC3863

    隨著通信產(chǎn)品的小型化發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源的性能要求方面也越來越高，促使電源向高頻、高可靠、低耗和小型化的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)開關(guān)電源在高新技術(shù)領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。在開關(guān)電源向高頻化和小型化的發(fā)展過程中，其中開關(guān)損耗問題是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素，軟開關(guān)技術(shù)能夠較好的解決開關(guān)損耗的問題。
    LLC諧振變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)管零電壓開通和次級(jí)輸出整流管的零電流關(guān)斷，開關(guān)損耗低、可高頻化，副邊整流二極管電壓應(yīng)力低，在高輸出電壓應(yīng)用情況下可以實(shí)現(xiàn)較高的效率等優(yōu)點(diǎn)成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是LLC諧振變換器的拓?fù)湓谄鋵?shí)際的應(yīng)用過程中還存在著許多問題，當(dāng)出現(xiàn)電路啟動(dòng)、負(fù)載過流或短路情況時(shí)如何限制電路中的電流以防止電路損壞就是其中的一個(gè)主要問題。在文獻(xiàn)中提出了一種具有自限流功能的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以解決此問題。本文對(duì)此拓?fù)溥M(jìn)行研究，并以此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自限流功能的LLC諧振電源，并用軟件對(duì)其電路進(jìn)行了仿真。

1 LLC諧振通信電源的電路組成
    LLC諧振變換器的電路主要由整流橋、PFC電路、DC／DC變換、輸出整流濾波電路以及控制反饋保護(hù)回路等環(huán)節(jié)組成，是一個(gè)完整的閉合系統(tǒng)。LLC諧振電源的系統(tǒng)圖如圖1所示。

    其中PFC電路是由UC3854芯片為核心控制芯片構(gòu)成的經(jīng)典電路，在整流電路后加入LC諧振，輸出直流電壓穩(wěn)定在400 V。DC／DC變換電路采用LLC諧振電路，利用電路發(fā)生諧振時(shí)，電流或電壓周期性過零點(diǎn)，使得開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開通或關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的。

2 控制電芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    圖2所示為控制芯片UC3863的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。查其數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，UC383是一款零電壓準(zhǔn)諧振變換器變頻控制芯片，可以產(chǎn)生最小10 kHz到最大1 MHz之間的可變的頻率信號(hào)。

    芯片UC3863內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括一個(gè)誤差放大器(E／A)，一個(gè)壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生最大、最小的可變頻率，一個(gè)過零檢測(cè)比較器的單穩(wěn)定時(shí)發(fā)生器(OneShot)，兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)5 V偏置電壓發(fā)生器，一個(gè)欠壓鎖定電路(UVLO)以及故障軟啟動(dòng)電路。欠壓鎖定(UVLO)的作用是Vcc電壓低于UVLO的上限值時(shí)芯片輸出為低電平。只有超過上限值時(shí)，5 V電源才會(huì)工作提供電源輸出。故障軟啟動(dòng)電路具有軟啟動(dòng)和重啟延時(shí)的功能，以及提供了一個(gè)精密參考，可設(shè)定VCO的最大、最小頻率分別為
   
    兩路推拉驅(qū)動(dòng)電流的峰值為1 A，具有過零檢測(cè)、死區(qū)設(shè)置、欠壓封鎖等功能。UC3863兩路輸出的差值經(jīng)變壓器驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。

3 主電路及自限流功能的實(shí)現(xiàn)
    圖3所示為L(zhǎng)LC諧振變換器主電路圖。其構(gòu)成主要有功率管S1和S2；變壓器T1；諧振元件，包括諧振電容Cr，電感Lr和激磁電感Lm；半橋全波整流二極管D1和D2以及輸出電容C0。

    由上圖可知，具有自限流功能的LLC諧振變換器與傳統(tǒng)的LLC變換器相比，僅多了1個(gè)變壓器T2和2個(gè)二極管D3及D4，構(gòu)成自限流電路。其工作原理為：在正常工作情況下，自限流電路不起作用，電路和傳統(tǒng)的諧振電路工作原理相同。當(dāng)過流和短路情況出現(xiàn)時(shí)，諧振電容兩端的電壓升高，致使變壓器T2的電壓隨之升高。當(dāng)變壓器T2副端電壓Vo超過輸出電壓時(shí)，自限流電路二極管D3、D4交替導(dǎo)通，從而使諧振電容電壓被鉗位，此時(shí)諧振電流也隨之被鉗位。當(dāng)此諧振變換器短路工作時(shí)，特別是在控制上結(jié)合變頻方法時(shí)，當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí)比傳統(tǒng)的LLC諧振變換器短路電流要小。在控制電路中引入限流環(huán)，當(dāng)電路中突然出現(xiàn)過流情況時(shí)，限流環(huán)起作用使輸出電壓降低，從而可以進(jìn)一步限制電路中電流的上升。

4 主要元件參數(shù)計(jì)算
    輸入電壓范圍：；額定輸入電壓：。輸出電壓電流：Vo=50 V，Io=20 A；輸出功率：Po=1 kW；諧振頻率fr=100kHz。
    1)理論變壓比
   
    其中Vd為二極管壓降
    2)最高、最低輸入電壓增益
   
    3)計(jì)算輸出負(fù)載電阻和等效負(fù)載阻抗
   
    4)計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Q，開關(guān)最大頻率fmax、最小頻率fmin以及諧振網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)
    設(shè)定k=3
   
    根據(jù)計(jì)算，選定的參數(shù)如下：變壓器比16：4：4；開關(guān)管Q1、Q2：ixfk44n50；輸出整流管D1-D4：ixfk44n50。

5 半橋諧振開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)
    圖4所示為以UC3854芯片為核心控制芯片的PFC電路圖，其交流輸入范圍為150～250 V，額定交流輸入220 V，額定直流輸出400 V。

    圖5所示為L(zhǎng)LC諧振開關(guān)電源工作電路圖。電路的輸出電壓經(jīng)采樣后接到芯片IN端，輸出電流經(jīng)過電流反饋環(huán)采樣，與1m393的給定電壓比較后接入芯片F(xiàn)ault端。將芯片(E／A)的負(fù)端接到芯片Soft-Ref腳。當(dāng)電路中諧振電流過大時(shí)，1m393輸出高電平，當(dāng)芯片F(xiàn)ault腳電壓超過3 V從而使芯片輸出低電平，即芯片被關(guān)斷。同時(shí)，電路中諧振電流上升使自限流電路開始工作，二極管D3和D4交替導(dǎo)通，諧振電容電壓被鉗位，從而使諧振電流被鉗位，芯片重新啟動(dòng)。

6 電路仿真波形及分析
    根據(jù)以上方案，設(shè)計(jì)了功率為1 kW用于通信電源的LLC諧振開關(guān)電源。其規(guī)格參數(shù)如下：交流150～250V輸入，輸出直流電壓為50 V，功率1 kW。以此樣機(jī)為基準(zhǔn)，用Saber軟件對(duì)PFC電路及LLC諧振變換主電路進(jìn)行仿真。
    1)PFC電路的仿真波形
    交流輸入電壓為150 V、220 V及250 V時(shí)的PFC電路直流輸出電壓波形為圖6所示，由此波形可以看出，PFC電路能夠穩(wěn)定輸出直流電壓。

    2)LLC諧振主電路仿真波形
    圖7所示是電路分別在額定負(fù)載和空載下驅(qū)動(dòng)電壓、諧振電壓、電流波形。由波形圖可知，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓沒有發(fā)生變化；當(dāng)輸出滿載時(shí)，變換器工作在諧振點(diǎn)附近，諧振電感和諧振電容諧振，勵(lì)磁電感不參與諧振，諧振電流波形近似半個(gè)正弦波；當(dāng)輸出負(fù)載為空載時(shí)，諧振電流呈現(xiàn)三角波，該電流為勵(lì)磁電感電流，它為主電路開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS創(chuàng)造條件。

    圖8所示為額定輸入400 V時(shí)，在短路情況下測(cè)得的主變壓器原邊電流波形和諧振電容兩邊電壓波形。在短路時(shí)，諧振電壓以及原邊電流穩(wěn)定自限流電路發(fā)揮作用。

7 結(jié)論
    介紹了基于UC3863控制的LLC諧振變換器。分析了整個(gè)電路的工作原理以及自限流功能的實(shí)現(xiàn)，其主開關(guān)管和整流管均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減少了開關(guān)損耗。最后通過仿真分析，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性。