150W LLC高压DC - DC谐振转换器参考设计报告

在电子电源设计领域，高效、紧凑且成本低廉的电源转换器一直是工程师们追求的目标。今天，我们来深入探讨一款由Power Integrations公司推出的150W LLC高压DC - DC谐振转换器的参考设计，它采用了HiperLCS™ LCS702HG芯片，为我们展示了一种优秀的电源解决方案。

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一、设计概述

这份设计报告主要围绕一款24V、150W的LLC DC - DC转换器展开，使用了LCS702HG集成LLC功率级IC。该设计旨在作为通用测试平台，展示HiperLCS系列设备的运行和性能。其输入电压范围为300V - 420V DC，还需要一个12V的辅助电源。在典型系统中，高压DC输入通常由PFC级提供，而12V电源则来自系统偏置或备用电源。

设计特点

1. 低元件数量和成本：采用简单的谐振（LLC）转换器拓扑，将控制器、高端和低端MOSFET以及驱动器集成在一起，减少了元件数量和设计工作量。
2. 高频运行：工作频率高达250kHz，这使得变压器铁芯尺寸可以减小（采用EEL25），同时也缩小了转换器的整体尺寸。此外，高频运行还允许使用陶瓷输出电容代替电解电容。
3. 高效率：在满载时效率超过95%，在20%、50%和100%负载点的平均效率也超过95%。
4. 电容式电流检测：采用电容式电流检测技术，实现低功耗。
5. 突发模式：确保无负载时的电压调节。

二、电源规格

项目	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注
输入	DC总线电压(V_{IN})	300	380	420	VDC	仅直流输入
VCC电压(V_{CC})	11.4	-	14.5	VDC	超过15V可能损坏U1
无负载输入功率（380VDC）	-	-	-	W	-
启动电压(V_{START})	-	-	360	VDC	-
关机电压(V_{STOP})	-	-	285	VDC	-
输出	输出电压(V_{OUT})	22.8	24	25.2	V	±5%
输出峰 - 峰纹波电压(V_{RIPPLE})	-	-	240	mV	20MHz带宽
输出电流(I_{OUT})	0	-	6.25	A	-
总输出功率	-	-	-	-	-
连续输出功率(P_{OUT})	-	-	150	W	-
峰值输出功率(P_{OUT_PEAK})	-	-	150	W	-
效率	20%负载(eta)	93.0	93.5	-	%	在25°C、380VDC输入下测量
50%负载(eta)	95.0	96	-	%	-
100%负载(eta)	94.7	95.5	-	%	-
尺寸	-	-	82.5 x 58.4 x 34.8	mm	长x宽x高
环境温度(t_{AMB})	0	-	40	°C	更高环境温度运行需要为IC1和输出二极管配备更低热阻的散热片

三、电路描述

（一）初级电路

1. 核心芯片：集成电路U1集成了LLC谐振半桥（HB）转换器所需的控制电路、驱动器和输出MOSFET。U1的HB输出通过一个阻塞/谐振电容（C11）驱动输出变压器T1。C11的额定值要能承受工作纹波电流和故障条件下的高电压。
2. 变压器设计：变压器T1的设计泄漏电感为53μH，与谐振电容C11一起，根据公式(f{R}=frac{1}{6.28 sqrt{L{L} × C_{R}}})，将初级串联谐振频率设定在约278kHz。变压器的匝数比通过调整初级匝数来设置，使得在标称输入电压和满载时的工作频率接近但略低于谐振频率。最终选择250kHz的工作频率，是在变压器尺寸、输出滤波电容（允许使用陶瓷电容）和效率之间取得的良好折衷。
3. 绕组选择：初级使用AWG #44 Litz线，次级使用AWG #42 Litz线，这种组合在工作频率（约250kHz）下提供了高效率。每种规格Litz线内的股数是在绕组适配性和铜损之间进行平衡选择的。
4. 核心材料：选择的核心材料是NC - 2H（来自Nicera），性能可接受（低损耗）。如果选择更适合高频运行的材料，如PC95（来自TDK），可以进一步降低核心损耗并提高效率。
5. 其他电路：D1、R6和C8组成自举电路，为U1的内部高端驱动器供电；C20、R5和C1对+12V输入进行滤波和旁路，作为U1的(V_{CC})电源；电压分压器R1 - R4设置U1的高压开启、关闭和过压阈值；C9是+380V输入的高频旁路电容；C12与C11形成电流分压器，用于采样初级电流，R11检测该电流，信号由R12和C7滤波；R10设置U1的死区时间为330ns，最大工作频率为773kHz；R8和R9的串联组合设置U1的最小工作频率约为115kHz；光耦合器U2通过R20驱动U1的反馈引脚，C4对反馈引脚进行滤波。

（二）输出整流电路

变压器T1的输出由D2和C14、C15进行整流和滤波。这些电容采用X5R电介质，经过精心选择以满足输出纹波电流额定值。输出整流器D2是一个60V肖特基整流器，具有高效率。通过将变压器次级绕组的两半交织（见变压器构造细节），可以减少两个次级绕组之间的泄漏电感，将最坏情况下的PIV降低到57V，从而可以使用60V肖特基二极管，提高效率。L1和C16提供额外的输出滤波，C16还可以抑制LLC输出阻抗在约30kHz处的峰值，改善对快速、高幅度负载阶跃的响应。R13和R18以及U3的参考电压设置电源的输出电压，误差放大器U3通过R14驱动反馈光耦合器U2。C17、C19和R14、R16、R17、R21决定电源的增益 - 相位特性，这些值的选择是为了在标称和极端负载/输入电压组合下实现稳定运行。R15允许在光耦合器U2的LED中没有电流流动时，U3中能够有最小所需的工作电流。C10和R23是一个软启动网络，用于消除开机时的输出过冲。

四、PCB布局

PCB布局对于电源转换器的性能至关重要。合理的布局可以减少电磁干扰（EMI），提高效率和稳定性。该设计的PCB布局考虑了元件的放置和布线，以确保良好的电气性能。例如，将高频元件靠近放置，减少布线长度，降低寄生电感和电容的影响。

五、物料清单

报告中详细列出了设计所需的所有元件，包括电容、电阻、二极管、变压器、IC等。每个元件都有其规格、制造商和型号，为工程师进行实际设计和采购提供了明确的指导。

六、变压器设计

变压器是LLC转换器的关键部件之一。报告中的变压器设计电子表格提供了详细的设计参数和计算结果，包括输入电压、输出电压、频率、电感、匝数比等。通过这些参数的设置和计算，可以优化变压器的性能，确保转换器的高效运行。

七、性能数据

（一）效率曲线

在不同负载（100%、50%、20%和10%）下测量了转换器的效率，结果显示在满载时效率超过95%，平均效率也很高，体现了该设计的高效率特性。

（二）负载调节曲线

展示了在不同负载（100%、50%、20%、10%和0负载）下输出电压的变化情况，反映了转换器在不同负载条件下的电压调节能力。

（三）波形

包括半桥电压和电流、输出电压启动曲线、输出欠压、输出过载、输出二极管峰值反向电压、短路、负载阶跃响应和输出纹波测量等波形。这些波形可以帮助工程师深入了解转换器的工作状态和性能。

八、温度测量和增益 - 相位图

温度测量结果显示了在380VDC、满载、1小时浸泡条件下的温度情况，为散热设计提供了参考。增益 - 相位图则反映了转换器的频率响应特性，有助于优化控制系统的性能。

九、总结与思考

这款150W LLC高压DC - DC谐振转换器参考设计展示了许多优秀的特性，如低元件数量、高效率、高频运行等。对于电子工程师来说，在实际设计中可以借鉴这些优点，同时也需要根据具体应用需求进行适当的调整和优化。例如，在选择核心材料时，可以考虑更高性能的材料以进一步提高效率；在PCB布局方面，可以进一步优化以减少EMI。大家在实际设计中是否也遇到过类似的设计挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。