SRC/LLC+SR之設(shè)計
本章節(jié)會對SRC與SLS的設(shè)計做一詳細(xì)的說明，會針對設(shè)計的程序與觀念及方法做簡單的說明，同時以虹冠電子的控制IC為基礎(chǔ)做設(shè)計說明，當(dāng)然讀者會有疑問為何不以外商的控制IC做設(shè)計說明，那是因?yàn)橥馍趟茝V的控制IC都是以LLC架構(gòu)為主，如果要做高效率與大功率或是加入同步整流的功能會增加設(shè)計上的困難，本章之目的是希望讀者有意從事諧振式開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計，能夠越簡單越容易學(xué)習(xí)的觀念，來幫助讀者.
虹冠電子所推出的CM690X系列IC分兩種，CM6900(SRC+SR)主要是操作SRC諧振點(diǎn)之右半邊，針對HOLDUP TIME不是要求很高的應(yīng)用，如LCD TV，LED Lighting，航模充電器，200W以下之電源適配器等等，具有設(shè)計驗(yàn)證簡單之優(yōu)點(diǎn)。CM6901主要是可以操作SLS(LLC+SRC+SR) 在LLC與SRC之兩種區(qū)間，適用于對HOLDUP TIME有極高要求之產(chǎn)品，如PC POWER / SERVER POWER / INDUSTRIL POWER.
在此討論SRC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計考慮與實(shí)例計算，會分成以下幾個方面來看：設(shè)計步驟、制定規(guī)格、功率組件的選擇、諧振組件設(shè)計、變壓器的設(shè)計考慮以及輸出整流濾波電路設(shè)計等方面。 (1)12V/15A之單組輸出SRC，ADAPTER/ LIGHTING
(2)12V/83A之單組輸出SLS，SEVER POWER
作為設(shè)計實(shí)例以CM6900與CM6901來設(shè)計ADAPTER LED LIGHTING與SEVER POWER
SRC V.S LLC
在開始說明設(shè)計之前,由于LLC在業(yè)界已應(yīng)用在LCD TV數(shù)年,對于最傳統(tǒng)的SRC大部份的有諧振架構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)之工程師反而不了解,在此會先比較兩者在設(shè)計上之差異,以理清SRC之設(shè)計觀念.
用于直流輸出之諧振式轉(zhuǎn)換器主要以串聯(lián)共振(Series resonant)為主架構(gòu)，主要分成兩種負(fù)載曲線的操作區(qū)域，SRC操作在共振點(diǎn)之上(操作在電感性負(fù)載區(qū)),LLC操作在諧振點(diǎn)之下與第二諧振點(diǎn)之間(操作在電容性負(fù)載區(qū)間)，以圖4-30 SRC, 圖4-31 LLC為負(fù)載曲線圖來做說明。
圖4-30 SRC負(fù)載曲線圖
從圖4-30的SRC負(fù)載曲線圖可以說明一個重點(diǎn)，諧振式轉(zhuǎn)換器的操作區(qū)域頻率由Fmin~Fmax，也就是說切換頻率Fsw操作在諧振點(diǎn)以上Fsw>=Fr。整個SRC之操作區(qū)間,因?yàn)樵陔姼行载?fù)載區(qū)所以基本上只要有足夠的負(fù)載電流加上激磁電流變可以作到零電壓切換.也因?yàn)橹挥袉我恢C振點(diǎn),所以不需要控制激磁電感量,設(shè)計上便簡化許多參數(shù)之要求. 可以用一句話來說明SRC是串聯(lián)諧振串聯(lián)負(fù)載之形式,所以只要單一諧振點(diǎn)便可以設(shè)計出一諧振式轉(zhuǎn)換器.
圖4-31 LLC負(fù)載曲線圖
從圖4-31的LLC負(fù)載曲線圖可以說明一個重點(diǎn)，諧振式轉(zhuǎn)換器在正常負(fù)載下其操作區(qū)域頻率由Fmin~Fmax也就是說操作在第二諧振點(diǎn)以上在Fsw>=Fr2~Fr1之間，在輕載時,頻率會 Fsw>Fr1,許多工程師都知道要將激磁電感變小,就可以設(shè)計LLC,但是都不是真正的了解為何會如此,其原因就是要用激磁電感與負(fù)載并聯(lián)產(chǎn)生另一等效電感量Leq,此電感再與諧振電感(Lr)相加形成第二諧振點(diǎn),因?yàn)槭遣⒙?lián)的效應(yīng),所以當(dāng)設(shè)計功率越大時,激磁電感就要越小,才能并聯(lián)產(chǎn)生另一等效電感量Leq,才有第二諧振點(diǎn),如果激磁電感太大,可以由圖4-31看到負(fù)載越重時, 第二諧振點(diǎn)會越靠近第一諧振點(diǎn),所以因此有兩個諧振點(diǎn)才能有電壓增益,所以就能穩(wěn)壓, 可以用一句話來說明LLC是串聯(lián)諧振并聯(lián)負(fù)載之形式,所以一定要產(chǎn)生兩個諧振點(diǎn)共四個參數(shù),如此才能設(shè)計出一諧振式轉(zhuǎn)換器.所以比較SRC與LLC在設(shè)計上的優(yōu)缺點(diǎn)，LLC 遠(yuǎn)比SRC復(fù)雜難設(shè)計，如果不做負(fù)載曲線仿真的話是很難設(shè)計，所以SRC的單共振點(diǎn)在設(shè)計上就簡單許多，如果不做仿真負(fù)載曲線仿真也不容易有設(shè)計上的問題。
所以就串聯(lián)共振式轉(zhuǎn)換器而言，就是分兩種操作區(qū)域，SRC就是切換頻率操作在諧振頻率之上，LLC就是切換頻率操作在兩個共振點(diǎn)之間，所以LLC設(shè)計相對比較難。
在設(shè)計SRC+SR之諧振式轉(zhuǎn)換器時,主要是考慮設(shè)計簡單,效率高,可以直接利用CM6900來做同步整流,簡化電路, 如果設(shè)計為SLS(SRC+LLC+SR) 之諧振式轉(zhuǎn)換器時,主要是考慮HOLD-UP設(shè)計較難,會將負(fù)載曲線圖用到LLC的區(qū)域,效率高,也可以直接利用CM6901來做同步整流,簡化電路,一般而言300W以下之設(shè)計都可以達(dá)成效率95%以上,加上PFC的效率,全機(jī)可達(dá)90%@115VAC輸入的條件.
使用CM6900來設(shè)計SRC(SRC+SR)諧振式轉(zhuǎn)換器在設(shè)計SRC+SR之諧振式轉(zhuǎn)換器時,會先以模擬的方式來仿真SRC之負(fù)載曲線圖,如圖4-18可以看到SRC負(fù)載曲線圖,以此負(fù)載曲線圖做為功率級之設(shè)計參考, 此負(fù)載曲線圖可以利用虹冠電子所提供的MATHCAD之檔案來執(zhí)行模擬,產(chǎn)生此圖
圖4-32 SRC負(fù)載曲線圖
圖4-32的負(fù)載曲線圖是利用mathcad依據(jù)輸出輸入的規(guī)格
ADAPTER/ LIGHTING電路參數(shù)設(shè)計
整體設(shè)計在設(shè)計時的流程如下:
一、 設(shè)計流程與參數(shù)設(shè)定
a. 輸入規(guī)格(330Vdc~395Vdc)
b. 輸出規(guī)格(12V/13A)
c. 決定共振頻率(Fr:一般取50Khz)
d. 決定控制IC(CM6900G)最低工作頻率(Fmin與Fr相同)/最高工作頻率(Fmax一般取200Khz)
e. 決定共振頻率下的Q值:(一般取0.3~0.5)
f. 架構(gòu)選擇(500W以下用半橋CLASS D，500W以上可用標(biāo)準(zhǔn)半橋或全橋)
二、 計算范例(12V/13A 156W)
在此以156W 12V/13A作為范例，說明SRC共振式轉(zhuǎn)換器之設(shè)計與計算，圖4-33為SRC半橋電路，圖4-34為CM6900G之電路與使用組件值,在此會利用MATHCAD之?dāng)?shù)學(xué)軟件工具來協(xié)助設(shè)計說明,相關(guān)的設(shè)計公式皆有說明,希望對有興趣之工程師能有深入的了解,相關(guān)設(shè)計工具之設(shè)計檔案(SRC CM6900)可與虹冠電子之代理商連絡(luò)取得.
圖4-33 SRC半橋電路
圖4-34 CM6900G電路與使用組件值
SRC的相關(guān)參數(shù)設(shè)計,讀者可以隨下列的所有計算式一步一步來進(jìn)行,這樣可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計一諧振式轉(zhuǎn)換器不再是困難的事,整個設(shè)計流程請依照公式右方之文字說明,計算公式之右方為計算值(黃色區(qū)),綠色區(qū)為選用值
SRC之相關(guān)參數(shù)設(shè)計
The Series resonant converter power supply design
Design specifications （串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的電源設(shè)計
參數(shù)及規(guī)格）
Input Specification 輸入電壓范圍
Output Specification 輸出規(guī)格
效率
輸出功率
