看懂-LLC-谐振电路

看懂LLC2015.12.11jamesj要了解LLC的工作,除了動作時序外,另一個重點就是FIG.1所示的DCGainCharacteristic.簡單說明這是一個直角坐標圖,X軸為頻率軸,Y軸為電壓增益軸.所以FIG.1的重點說明了,電壓增益對於頻率的變化.FIG.1(fromSTApp)曲線變化為Gain與FSW的關係,此曲線又稱為Q值曲線.從FIG.1內抓其中一條曲現出來看,曲線所表現的行為,如下圖FIG.2所示的LLC諧振電路的行為曲線.FIG.2FIG.2是一個經由FHA近似等效出來的電路.(只是近似非精準等效)這個電路,我們一般稱之為”諧振槽”(ResonantTank).在LLC架構的電源中,主要的設計重點也就是在這個諧振槽的參數設計.不同的諧振槽設計參數,LLC將會有不同的工作區域,動作特性也將大大不同.Q在電路學上稱之為”品質因素”,在此的數學表示式為:LrCrQRac所以Rac的變化,將改變其Q的大小,進而改變Q曲線的選取.FIG.1中,越內部的Q曲線,表示Q值越大也表示Rac越小,也就是負載越重或是輸出電流越大.相反的,越靠外側的Q曲線則是Rac越大,負載越輕,輸出電流越小.再稍微注意一下會發現,所有的Q值曲線都將有一個共同的交會點.這交會點的FSW即是諧振頻率點.在此點達到共振.(我們稱此點為Fr1)Q值曲線的斜率會因Lm/Lr(一般論述將Lm/Lr設定為K值)的不同而有所改變.也就是說,不同的Lm/Lr下,會有不同的DCcharacteristicQ值曲線.如下圖示FIG.3-1FIG.3-2FIG.3-3當Lm/Lr較小時,Q曲線會較為陡峭,Lm/Lr較大的時候,Q曲線則較為平緩.K值小的狀況,FSW變動範圍小,就可以得到較大的增益量.但K值小表示Lm相對的偏低,將帶來較大的磁化電流(Im),雖然在LLC的架構下Im可以轉移到次級側,供負載使用.但是較大的Im在初級將帶來較大的conductionloss.反之,K值較大,FSW需要較大範圍的變化來獲取需要的增益量.設計上我們需盡量減小電路的conductionloss,另一方面,又不希望工作下的FSW變化太大,造成磁損與MOSFETturnoff時switchingloss的增加或是Holduptime的犧牲,甚至電路上無法獲得所需的增益量來正常工作.因此對於K值的設計需要做適當的設定,一般論述中建議K值的設定在2.5~7之間.(此K值範圍僅為參考設計用,各論述中大同小異範圍差別不大)FIG.4(K值大小對電路損失的比較)PS.1.不同的Q值,均有一條Q曲線來表示出當下Rac的Gain與FSW的關係2.Q曲線實際上是一個連續面的圖形,因為實際上負載變化是類比連續面的.為了好論述,所以將其簡化為幾條Q曲線做其說明.LLC的工作區域如何劃分.FIG.5FIG.6FIG.5與FIG.6都是描述相同的DCGainCharacteristiccurve.但是要注意的是,對於操作區的定義表達不同.(這也是初學者常常因不同論述而有所混淆的地方.)FIG.5是以紅色虛線劃分了三個區塊,分別表示三個不同的操作區域.FIG.6則是Fr2,Fr1兩個頻率點,劃出了三個區塊.分別是FSWFr2,Fr2FSWFr1,FSWFr1.三個矩形區塊.那這有什麼不同呢?差異最大的不同就是FIG.5的Region2與FIG.6的Fr2FSWFr1的論述不同.FIG.5在論述上是將Region2定義為全電感性工作區,沒有所謂的容性工作區.FIG.6則不然,在Fr2FSWFr1區塊操作下,有電感性與電容性的變化.所以,再進行論述了解時,對於區塊性的定義就有很大的不同.雖然相同的曲線.其實在LLC架構下,重要的就是區分出,電感性操作區與電容性操作區.如下圖:FIG.7LLC的工作區域的討論.FIG.5所示的region1或是FIG.6的FSWFr1.這個區塊比較好理解,因為Curve所描述的電路行為是一個典型的“串聯諧振”電路.FIG.8說明了,當頻率FSW=Fr1的時候,達到諧振頻率.這個時候的XL=XC,整個諧振槽電路的輸入阻抗最小,輸出電壓增益最大.當FSWFr1時,則諧振槽電路的XLXC,表示此時的諧振槽電路為電感性電路.即是FIG.8右邊Region1的區域.FIG.8FIG.9FIG.9則是表示FSWFr1等效電路的變化.其中Cr因FFr1而被短路視之.在這個串連諧振區域,經由FIG.8表示出,當FSW越高則增益(VO/VI)越小.也不難看出,這個區域的最大增益為1,也就是當FSW=Fr1時,諧振槽的等效阻抗最小.所以這個區域也稱為“Buck”區,表示如同Buck電路一樣,只有降壓的效果.這是因為在串連諧振電路下,當FSW上升,則XLr也一同增加,這使得Vin輸入經由XLr對Rac分壓,當XLr隨FSW上升而增加,相對Rac上的輸出電壓就減小了.LLC操作在這個區域,FSWFr1不需擔心FSW過低,而造成Q曲線有機會過大,而進入所謂的”電容性區域”(region3FIG.5).在region1工作區的輸出整流是連續性的電流,也就是俗稱的”CCM”,如此連續性的電流將使得整流二極體(或同步整流MOSFET)工作在非ZCS下.也就是電流連續時強迫關斷整流開關,這將會造成整流開關上有較大的切換損失與較大的應力(Stress)要求.另一方面,由於在整流開關上的電流連續性(即電流方向一致性),所以使用MOSFET在同步整流的應用下較為安全,無逆灌電流的問題.FIG.5region2與FIG.6Fr2FSWFr1.在說明之前我們先明確定義是用FIG.6Fr2FSWFr1,來進行論述.以避免混淆.注意觀察一下FIG.6在Fr2FSWFr1這個區間工作,其最小的增益量為1.所以又稱此區為”Boost”區,猶如Boost電路一樣有昇壓的效果.工作在此區下的輸出整流電流為非連續性,所以此區也稱為“DCM”.由於輸出整流是非連續性電流,所以整流元件是以零電流關斷(ZCS),如此減少了整流元件的Switchingloss與stress的要求.但也由於整流電流為非連續性電流,所以在應用於MOSFET做同步整流時,必須注意整流電流的逆灌問題.另外,在初級的IP電流,會呈現出兩種頻率的波形.此區工作下的DCCharacteristic,會有”電容性”與”電感性”兩種不同阻抗特性的變化.至於會進入”電感性”還是”電容性”則是依選擇工作的Q曲線來決定.當重載或是過載時,為了維持相同的增益量,FSW必須下降,以選取較大Q值得曲線,來達到所需的增益量.儘管如此Q值曲線因FSW下降可滿足所需增益.但值得關心的是,在此區工作的Q值曲線,都有明顯的峰值點.在FIG.7可清楚的觀察到,在Q曲線的峰值點左半平面(ZCSregion),其Resonanttank的輸入阻抗為電容性.在Q曲線的峰值點右半平面(ZVSregion)Resonanttank輸入阻抗為電感性.LLC在Resonanttank的設計上必須使得輸入阻抗在電感性區域工作.避免進入電容性區域.所以在Fr2FSWFr1(Region2)的設計,要注意的是避免,為了滿足增益量的需求,在選取較大Q值曲線的條件下,而造成FSW下降點越過的Q曲線的峰值點,而進入了電容區.還有在Lm/Lr的設定上也要注意到,不可以過大(比設計在FSWFr1來的小).因為此區的FSW範圍較小,有可能因為Lm/Lr太大使得Q值曲線平緩,進而在安全的FSW範圍下,無法獲的所需的增益.由前所述的,較低的Lm/Lr會有較大的初級Conductionloss.所以操作在這個區域的也將會有這個缺點.除了Conductionloss問題外,就是ImIp時,此時的能量雖然可轉移到負載側,但是在初級將帶來較多的Circulatingcurrent所造成的loss.另一個問題,諧振電容在此區的工作下也會有較大的Ripplecurrent.(△I較大)當然電容上的△V也相對變大,所以其Stress的設計上須多注意FIG.5region3或是FIG.6FSWFr2設計在這個區域下,MOSFET雖然是ZCS但是卻失去了ZVS的行為.這將會造成更大的Switchingloss在MOSFET上.在MOSFETturnon的期間為硬切行為,這將造成MOSFET的應力增加,有損毀的風險,因此多數論述中均不建議在此區工作.此將不做進一步的討論.除了DCCharacteristiccurve外,大家也會常看到FIG.10這樣的曲線圖:FIG.10(fromSTApp)FIG.10是一個“頻率–阻抗”曲線圖.X軸為頻率軸,Y軸為”諧振槽”的輸入阻抗軸.這個”頻率–阻抗”曲線圖用途是可以較為清楚的觀察到Resonanttankinputimpedance在Q值不同下對頻率的阻抗變化,這與DCCharacteristic有相輔相成的效果.圖中的曲線依然是以Q曲線來表示,只是坐標軸不同而已.講簡單一點就是,相同的東西用不同角度來看,所以物質本身是不變的,不同的只是觀察角度不同而已.與DCCharacteristic一樣,將分成3個頻率操作區塊.也是FSWFr2,Fr2FSWFr1,FSWFr1很巧吧!(LLC的論述基本大多就是圍者這3個區塊在轉)依電路學impedance的公式:1Z=R+j()LC,將分別討論這三個區域.FSWFr1,在這個區塊內,藍色線表示Q值較小的曲線綠色線則是Q值較大的曲線.(Ref.FIG.10orFIG.11)在固定的一個頻率下,會發現Q值小的曲線有較大的輸入阻抗,而在Q值大的曲線則是有小的輸入阻抗.這現象完全符合之前的論述.Q值大表示負載為重載,需要較大的增益量,此區電路是”串連諧振”的行為,所以Resonanttank需將輸入阻抗降低,以讓負載獲得足夠的增益量.Q值小則反之.此區的Q曲線都為右拋曲線,且Resonanttankimpedance為”電感性”,阻抗特性符合2LXfL,感抗公式.所以在實際動作上,當負載需求增益變動時,以調變FSWFIG.11來維持相同的增益(維持相同的輸出電壓).Fr2FSWFr1,此區塊內有”電感性”與”電容性”兩種阻抗的分布.Resonanttankimpedance是屬於電感性還是電容性,是依Q值的選取來做區分的.(同上DCGainCharacteristic論述)觀察右側FIG.12綠色的Q值曲線,此區綠色Q曲線為左拋曲線.假設我們將FSW1提升至FSW2,分別在綠色Q曲線上得到相對應的阻抗Z1與Z2.將發現FSW2下的Z2小於FSW1下的Z1.這符合電容性阻抗的特性:12XcfC此區Q曲線隨者FSW會呈現出”左拋”或是”右拋”.在設計的FSW下,需注意所選取的Q曲線避免進入電容性區域.也就是避免選擇到”左拋”的Q曲線.FIG.12FSWFr2,第三個區塊可以從右側FIG.13看到.所有的Q曲線均呈現出”左拋曲線”,所以此區塊Resonanttankimpedance都為電容性.也就是說,當FSW增加時,諧振槽的輸入阻抗將變小,這將違反了LLC的維持穩定增益的控制原理.所以在LLC的設計上,需避免進入此塊區域.FIG.13