本文属于德州仪器“电源设计小贴士”系列技术文章，将主要讨论LLC-SRC设计优化面临的挑战及解决方案，探讨如何跳出LLC串联谐振转换器思维定式，提供全新的解决思路。

　　十几年来，电源行业广泛采用了图1中所示的电感器-电感器-电容器(LLC)串联谐振转换器(LLC-SRC)作为低成本、高效率的隔离式功率级，其中包含两个谐振电感器（两个“L”：L_m和L_r）和一个谐振电容器（一个“C”：Cr）。LLC-SRC器件具有软开关特性，没有复杂的控制方案。得益于软开关特性，该器件支持使用额定电压较低的元件，并可提高效率。该器件采用简单的控制方案，即具有50%固定占空比的变频调制方案，与相移全桥转换器等用于其他软开关拓扑的控制器相比，所需的控制器成本更低。

　　LLC-SRC设计优化的两大挑战
　　尽管LLC-SRC的效率可以比硬开关反激式和正激式转换器高很多，但如果要实现的效率，仍然存在一些设计挑战。
　　首先，在LLC-SRC设计中，为了实现足够宽的可控范围，两个谐振电感器之比(L_m/L_r)可能必须小于10。同时，需要Lm具有较大的电感，以便降低循环电流，因此需要保持高Lr电感以确保谐振电感比值低。
　　值得注意的是，串联谐振电感器L_r中的电流完全是交流电，没有任何直流分量，这意味着磁通密度变化很大（即ΔB很高）。高ΔB意味着与交流相关的电感器损耗也很高。如果电感器绕在铁氧体磁芯上，磁芯空气间隙附近的边缘效应会产生较高的绕组损耗。
　　L_r电感高，则意味着电感器匝数较多、交流绕组损耗较大。因此，许多LLC-SRC设计都对谐振电感器采用铁粉磁芯，在绕组损耗和磁芯损耗之间进行权衡。然而，高ΔB会在谐振电感器上产生相当大的损耗：高绕组损耗或高磁芯损耗。
　　LLC-SRC设计的第二个挑战是如何合理优化同步整流器(SR)控制。LLC-SRC整流器电流传导时序取决于负载条件和开关频率。有前景的LLC-SRC SR控制方法是检测SR场效应晶体管(FET)漏源电压(VDS)，并在VDS低于或高于特定电平时开启和关闭SR。VDS检测方法需要毫伏级的精度，因此只能在集成电路中实现。自驱动或其他低成本SR控制方案不适用于LLC-SRC，因为此类器件采用带电容负载的电流馈入型输出配置。因此，LLC-SRC SR控制器电路的成本通常高于其他拓扑的成本。
　　改良版CLL-MRC

　　为了解决这两个挑战（高电感器损耗和SR控制），同时保持谐振转换器所能提供的大部分优势，请考虑使用改良版CLL多谐振转换器(CLL-MRC)，如图2所示。

　　与所有三个谐振元件（一个电容器和两个电感器）都位于输入侧的CLL-MRC不同，改良版CLL-MRC将一个电感器从输入侧移动到输出侧，并将电感器放置在整流器Lo之后，如图2所示。这种修改允许谐振电感器上含有直流电流，这意味着ΔB更小，磁损耗也可能更低。
　　图3展示了改良版CLL-MRC的工作原理，其中fsw是转换器开关频率，而f_r1={2π[C_r(L_r1//L_r2)]^0.5}-1是两个谐振频率的其中之一。当fsw低于f_r1时，输出绕组电流在开关周期结束前下降到零，这一点与LLC-SRC中的输出绕组电流类似。现在，输出端有一个电感器。一组简单的电容器和电阻器即可检测输出电感器电压。每次出现较大的电压变化率(dV/dt)时，便是开启或关闭SR的时机。因此，SR控制方案的成本低于VDS检测方案。

　　当fsw高于f_r1时，输出电感器电流会处于连续导通模式。换言之，与LLC-SRC相比，ΔB减小，电感器交流损耗可能大幅减小，转换器效率可能提高。

　　为了验证这些性能假设，我构建了一个LLC-SRC和另一个具有完全相同元件和参数的改良版CLL-MRC功率级。两者的区别是72μH电感器用作LLC-SRC谐振电感器，1μH电感器用作改良版CLL-MRC输出电感器。
　　图4显示了两个功率级的效率测量结果。当输入电压较低时，fsw小于fr1，因此改良版CLL-MRC中的Lo电流仍处于不连续导通模式，并具有较大的ΔB。因此，在这种运行条件下，改良版CLL-MRC没有效率优势。

　　当输入电压升高时，fsw大于f_r1，Lo电流处于连续导通模式。使用430V输入时，改良版CLL-MRC的效率比LLC-SRC高1%。这一比较表明，如果将改良版CLL-MRC设计为始终在高于f_r1的频率下运行，则其在整个范围内的效率性能可能优于LLC-SRC。

　　图4.不同输入电压电平下的转换器效率：改良版CLL-MRC（顶部），LLC-SRC（底部）
　　结语
　　LLC-SRC确实是出色的拓扑，可提供许多吸引人的特性。但根据应用的不同，其可能并不是解决方案。为了实现更高的效率和更低的电路成本，有时需要跳出思维定式。
　　德州仪器“电源设计小贴士”系列技术文章由德州仪器创建并撰写，旨在深入剖析当前电源设计普遍面临的难题，并提供一系列切实可行的解决方案和创新设计思路，帮助设计人员更好应对电源设计挑战，助力设计更加高效、可靠。