最近從身邊一起做電源電源的小伙伴們了解到，一般做電源電路設計，都是從開關電源設計來進行入門學習的。期間不僅要查閱大量的資料，還要對這些資料進行篩選和整理，比較耗費時間和精力。為此，小編將一名前工程師的開關電源設計經(jīng)驗進行了整理，希望能幫助大家加快自學的步伐。

原本在本篇文章當中將為大家講解關于EMI、尖峰電壓處理等方面的知識，但是這些知識的整體思路在開關電源的各類拓撲當中都是互通的，所以轉而對主拓撲進行介紹。

LLC開關電源設計

Buck、Boost、Forward都是PWM模式的開關電源，他們有一個共同的缺點，就是開關交叉損耗永遠都存在的，怎么都避免不了。有關“開關損耗”，網(wǎng)絡上里有大把的專業(yè)資料，大家可以去下載，這里就不再贅述。

開關電源的優(yōu)勢就是把直流電壓(交流輸入也是先進行整流)經(jīng)過高頻開關進行高頻逆變，方便我們使用高頻變壓器或者高頻電感進行電壓、電流的變換。經(jīng)過高頻化處理以后，磁性元件就會變得很小，電容的紋波電流也會變得很小，所以現(xiàn)在看到的開關電源，在體積重量還有成本方面，都全面超越了老式的線性電源。

隨著技術的進一步提高，各種電子設備，對開關電源的體積性能有了越來越高的要求，然后人們就開始研究消除或者減小開關損耗的方法。出現(xiàn)了各種各樣的技術，比如有源鉗位、準諧振技術、移相全橋、諧振開關電源，因為現(xiàn)在市面上應用最廣泛的是LLC結構的諧振式開關電源，所以這里就講一下LLC諧振開關電源。LLC其實一點都不神秘，最早誕生于美國，已經(jīng)存在了多年。但是因為專利問題，在近幾年才在國內流行起來。

電阻分壓

圖1

圖2

Zc=1/(2*pi*f*c)f交流頻率c電容容值

Zl=2*pi*f*lf交流頻率l電感量

圖3

經(jīng)過圖1、圖2、圖3的對比，可以發(fā)現(xiàn)其實LLC一點都不復雜。說白了跟電阻分壓電路一樣，只不過純電阻電路，電阻阻值是一個常數(shù)，LLC電路利用的是電抗(阻抗，感抗，容抗)來進行分壓，因為感抗，容抗的大小都是頻率f的函數(shù)，所以隨著頻率的變化，感抗、容抗的大小就會跟隨著變化，勵磁電感上的交流分壓可以由驅動頻率來進行調整，傳輸?shù)酱渭壗?jīng)過整流，就是我們需要的輸出電壓了。

至于為什么實現(xiàn)了零壓開通，這正是利用了交流電路里面電流電壓之間，相位角會隨著頻率發(fā)生變化這一特性，如果始終保證LLC諧振腔工作在感性區(qū)域，那么我們就始終保證了諧振腔電流滯后于電壓一定的相位角。

這東西真的不復雜，建議大家找一些正弦交流電的知識看一下，重點是正弦交流電電流電壓之間的關系。

關于具體的具體LLC設計流程推薦大家去看郭春明的作品，雖然在參數(shù)上出現(xiàn)了筆誤，但是過程是非常值得學習的，簡潔明快。

LLC最大的好處就是，很現(xiàn)實的實現(xiàn)了零電壓開通，在大部分工作頻率上，實現(xiàn)了零電流關斷(也不完全是零電流，始終關斷電流無法小于勵磁電流)，比傳統(tǒng)的PWM模式峰值電流管段關斷損耗好了非常多。

這樣做的好處是：

頻率可以跑的很高，4000W等級的工業(yè)電源，諧振頻率120K，最高頻率300K，這也是很普通的參數(shù)，但是電源整體體積還是小了不少。頻率高了磁性元器件體積就小了，電解電容也可以用的小一些，為什么電解電容會小，請大家自行查閱電解電容紋波電流相關知識。

效率高，交叉損耗小了很多，效率自然就提高了，效率高了，散熱片體積也變小很多。

下面是對工作波形的比較：

圖4

上面舉一個PWM電流連續(xù)模式的DS電壓電流對應波形，電流下降沿、電壓上升沿展開，會看到電壓電流有交叉的部分，在同一個時間段內，同時存在電壓和電流，P=U*I。那就是損耗，損耗跑哪里去呢?都變成熱量在Mos管上燒掉了，所以我們的Mos管上，經(jīng)常會看到一大塊兒鐵——散熱片。

這就牽扯出交叉損耗的問題，這個需要比較專業(yè)的講解，礙于篇幅大家可以去網(wǎng)絡上自行搜索，有大把的資料。

由于交叉損耗的存在，限制了PWM模式開關電源工作頻率的進一步提高。交叉損耗也就是開關管在開通和關斷時候，電壓電流有重疊的一部分產(chǎn)生的，那么P=U*I。那么，大家就要注意兩個關鍵參數(shù)，重疊部分的電壓，重疊部分的電流，總損耗是這兩個的積。

LLC基本工作波形

大家都應該聽說過LLC有三個工作區(qū)域，欠諧振工作區(qū)域(Boost區(qū))，其中的波形：

圖5

手畫詳細解釋一下上圖：

下面根據(jù)圖5，在圖7當中進行了詳細的講解。不過上面圖少了Vds。注意看縱向的參考線、各個波形的時序、注意驅動、電流、死區(qū)時序。

圖6

如圖6所示，注意驅動上升沿、下降沿、對應電流。

圖7

如圖7所示，零壓開通波形，注意標出的Vds波形，Vds在驅動到來之前，已經(jīng)為零。

圖8

上管開通，注意諧振電感、勵磁電感、諧振電容的正負。

圖9

注意去理解上管Mos開通，勵磁電感兩端電壓被鉗位了，鉗到n*(Vout-Vf)。這個過程大家一定要自己想明白。n是變比，Vf是二極管正向壓降。

圖10

注意不同顏色畫的驅動、Vds、電流波形。諧振腔電流紅色的是諧振腔總電流，紫色的是勵磁電流，因為次級二極管導通，Lm端電壓被鉗位到n*(Vout-Vf),所以勵磁電流是線性上升的。

次級電流應該是諧振腔總電流減去勵磁電流那一部分。平臺是因為諧振腔總電流開始小于勵磁電流，次級二極管不再導通，Lm不再被鉗位，Lm也參與了諧振，平臺其實是個假象，那也是一段正弦波，頻率由Cr、(Lm+Lr)來決定。諧振回路總電感變大了，諧振頻率變低了，所以正弦波一部分看起來像一條直線。

圖11

注意不同顏色的字，方框對應不同顏色的波形，可以參照網(wǎng)上的資料自己對比。

LLC主要分兩種，一種是主變集成了諧振電感Lr的一體式主變，Lr使用主變的漏感來做的。這一種說它是耦合電感也不為過。還有一種就是Lr諧振電感是使用獨立的磁芯做的一個獨立電感。這一種比較傾向于變壓器，但是在變壓器工作在低于諧振點時候，勵磁電感Lm有一段是要參與諧振的。

關于LLC電源的講解到此結束，希望閱讀過本系列文章的電源新手能夠有所收獲，從技術達人分享的經(jīng)驗當中得到自己想要的知識。