做電源這些年要說(shuō)哪個(gè)拓?fù)渥屛矣謵?ài)又怕LLC諧振變換器絕對(duì)排第一。年前調(diào)一個(gè)單板電源模塊滿載啟動(dòng)剛開(kāi)就聽(tīng)見(jiàn)電流聲不對(duì)緊接著一聲悶響一只MOS直接擊穿。拆下來(lái)查驅(qū)動(dòng)波形明明正常電流波形卻已經(jīng)落在容性區(qū)。那次事故之后我把LLC從原理、參數(shù)設(shè)計(jì)到調(diào)試方法重新捋了一遍也總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。這篇就作為我的電源踩坑日記把LLC諧振變換器的原理、參數(shù)設(shè)計(jì)、磁件工藝和調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的翻車(chē)案例一起整理出來(lái)給正在做或準(zhǔn)備做諧振電源的朋友一個(gè)參考。1. 從滿載啟動(dòng)失敗說(shuō)起增益曲線不會(huì)騙人1.1 LLC到底在“諧振”什么三個(gè)儲(chǔ)能元件的分工LLC有三個(gè)核心儲(chǔ)能元件諧振電感Lr、諧振電容Cr、勵(lì)磁電感Lm。很多人第一次接觸會(huì)覺(jué)得名字拗口其實(shí)對(duì)應(yīng)到電路上非常清楚。Lr和Cr串聯(lián)負(fù)責(zé)把方波電壓濾成正弦電流Lm是變壓器的勵(lì)磁電感它不直接傳遞能量但會(huì)在死區(qū)時(shí)間里提供換流電流讓原邊開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS。三者的分工一旦理解后面所有調(diào)試邏輯都會(huì)順起來(lái)。三個(gè)元件能形成兩個(gè)諧振頻率一個(gè)是Lr和Cr決定的串聯(lián)諧振頻率fr另一個(gè)是Lr、Lm、Cr共同決定的低頻諧振頻率fm。fr是設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)頻率決定了增益曲線上增益為1的參考點(diǎn)fm決定了頻率降低時(shí)增益能抬升多少。實(shí)際工作時(shí)開(kāi)關(guān)頻率就在fr附近來(lái)回調(diào)節(jié)負(fù)載重就往下走負(fù)載輕就往上走。很多初次接觸LLC的人會(huì)誤以為頻率越低增益越小實(shí)際上在低于諧振頻率的一段區(qū)域里增益是隨頻率降低而升高的這個(gè)反直覺(jué)的特性正是LLC能做寬范圍輸出的原因。1.2 用基波近似看懂增益曲線感性區(qū)、容性區(qū)和臨界點(diǎn)分析LLC最常用的方法是基波近似法簡(jiǎn)稱(chēng)FHA。原邊半橋或全橋輸出的是一串方波但諧振網(wǎng)絡(luò)本身有很強(qiáng)的帶通特性真正傳遞到副邊的能量主要由方波里的基波分量完成。把方波做傅里葉展開(kāi)、只保留基波再把它當(dāng)作一個(gè)線性交流等效電路來(lái)分析就能畫(huà)出大家熟悉的增益曲線。增益M的表達(dá)式在各類(lèi)設(shè)計(jì)指南里都能看到寫(xiě)成普通文本大概是M 1 / sqrt([1 (1/K)(1 - 1/fn2)]2 [Q(fn - 1/fn)]2)其中fn fs / fr歸一化開(kāi)關(guān)頻率K Lm / Lr電感比Q sqrt(Lr / Cr) / Rac品質(zhì)因數(shù)代表負(fù)載輕重負(fù)載越重Q越大這條曲線最要害的地方是它把整個(gè)頻率范圍分成了感性區(qū)和容性區(qū)。感性區(qū)里電流滯后于電壓原邊開(kāi)關(guān)管可以利用死區(qū)時(shí)間內(nèi)的電感電流完成ZVS容性區(qū)里電流超前于電壓開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬間電流方向已經(jīng)反了出現(xiàn)硬開(kāi)通嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接炸管。兩個(gè)區(qū)域之間的臨界點(diǎn)就是每條增益曲線的峰值位置負(fù)載越重這個(gè)峰值越靠左、也越陡峭?？辞€時(shí)還要記住一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)Q值越大曲線峰值越高但這個(gè)峰值并不是可以無(wú)限利用的。很多人設(shè)計(jì)時(shí)一看最大增益夠用就往下壓頻率結(jié)果工作點(diǎn)越過(guò)峰值進(jìn)入了容性區(qū)滿載一啟動(dòng)就出問(wèn)題。增益曲線不會(huì)騙人它只會(huì)安靜地等你在示波器上發(fā)現(xiàn)電流相位反轉(zhuǎn)。1.3 復(fù)盤(pán)滿載啟動(dòng)為什么把工作點(diǎn)壓進(jìn)了容性區(qū)回到我那次炸管事故。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目要求輸入母線電壓范圍380V到420V輸出48V/20A用的是半橋LLC。設(shè)計(jì)時(shí)我把諧振頻率定在100kHzK取5滿載Q大約0.6。從增益曲線看最低輸入電壓滿載時(shí)的增益需求只有1.1左右理論上一路從高頻往下掃就能穩(wěn)定工作距離容性區(qū)邊界還有不少余量。但問(wèn)題出在啟動(dòng)過(guò)程。軟啟動(dòng)從高頻開(kāi)始向目標(biāo)頻率掃描因?yàn)榉答伃h(huán)路帶寬比較窄、輸出電容又大環(huán)路在啟動(dòng)初期會(huì)誤以為增益不足把工作頻率一路往下拉結(jié)果輸出還沒(méi)建立起來(lái)工作點(diǎn)已經(jīng)越過(guò)峰值跌進(jìn)容性區(qū)。第一次在示波器上看到主功率電流波形出現(xiàn)反相位時(shí)我還以為是探頭接反了實(shí)際這就是ZVS丟失的典型信號(hào)。那次之后我學(xué)到一個(gè)笨但管用的辦法啟動(dòng)時(shí)先讓系統(tǒng)以固定高頻率空載運(yùn)行一段時(shí)間等輸出電壓穩(wěn)定建立后再切到閉環(huán)能避開(kāi)絕大部分啟動(dòng)炸管。軟啟動(dòng)時(shí)間寧長(zhǎng)勿短至少要比輸出電容充電時(shí)間多出20%到30%。2. 頻率跑在感性區(qū)才是安全區(qū)ZVS軟開(kāi)關(guān)的邊界2.1 ZVS的本質(zhì)是“借尸還魂”死區(qū)時(shí)間里的電流換流ZVS全稱(chēng)是零電壓開(kāi)通很多人以為這是MOS管自己能做到的其實(shí)它靠的是諧振回路里的電感電流。死區(qū)時(shí)間內(nèi)上管關(guān)斷后電感電流不能突變會(huì)繼續(xù)灌入開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)把下管寄生電容Coss的電荷抽走讓體二極管自然導(dǎo)通這時(shí)再給下管發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)就是真正意義的零電壓開(kāi)通。這個(gè)過(guò)程中最核心的條件是死區(qū)時(shí)間td內(nèi)諧振電流的峰值必須能把Coss充放電完成。粗略估算可以用這個(gè)公式I_pk 2 * Coss * Vin / td這里的Coss是單管輸出電容。把主開(kāi)關(guān)管型號(hào)參數(shù)帶進(jìn)去算一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)電流裕量其實(shí)很緊張。設(shè)計(jì)時(shí)如果只關(guān)注滿載效率而忽略輕載電流很容易在輕載工況下丟掉ZVS。2.2 輕載時(shí)為什么容易掉出ZVS輕載時(shí)輸出功率小諧振電流整體變小勵(lì)磁電流峰值也隨之下降。負(fù)載輕到一定程度勵(lì)磁電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)就不夠給Coss完成換流了原邊開(kāi)關(guān)管開(kāi)始硬開(kāi)通。硬開(kāi)通帶來(lái)的直接后果是效率下降和MOS溫度升高而且這種損耗在示波器上不一定能看到明顯的電壓尖峰需要靠開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)判斷。我調(diào)試中遇到過(guò)一個(gè)典型例子某臺(tái)樣機(jī)在30%負(fù)載時(shí)效率從93%掉到88%排查了很久最后確認(rèn)就是ZVS丟失。對(duì)策通常是啟用控制芯片自帶的突發(fā)模式burst mode讓系統(tǒng)間歇工作每個(gè)burst周期內(nèi)的電流仍然足夠維持軟開(kāi)關(guān)。另外一個(gè)思路是適當(dāng)減小Lm勵(lì)磁電流變大ZVS裕量變足代價(jià)是勵(lì)磁損耗增加、空載功耗變高。兩者怎么取舍要看產(chǎn)品的待機(jī)功耗指標(biāo)和輕載效率指標(biāo)哪個(gè)更關(guān)鍵。2.3 死區(qū)時(shí)間與最小工作頻率的匹配死區(qū)時(shí)間設(shè)太短Coss電荷沒(méi)有放完就開(kāi)通等于硬開(kāi)設(shè)太長(zhǎng)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓在死區(qū)結(jié)束后已經(jīng)反向電流反灌也可能把工作點(diǎn)推向容性區(qū)。這個(gè)參數(shù)在控制芯片里通?？梢耘渲玫芏嗳嗽谡{(diào)試時(shí)壓根不去動(dòng)它只用默認(rèn)值。從示波器上判斷ZVS是否成功最直接的方法是看開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形死區(qū)時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓應(yīng)該從高電平完整落到零并保持一小段平臺(tái)然后才出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通信號(hào)。如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來(lái)時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓還有幾百伏沒(méi)有放完說(shuō)明死區(qū)時(shí)間不夠或者勵(lì)磁電流偏小。另一個(gè)小技巧是聽(tīng)聲音出現(xiàn)明顯的高頻嘯叫或滋滋聲多半和輕載ZVS丟失、環(huán)路不穩(wěn)定有關(guān)。調(diào)試時(shí)多留一個(gè)心眼能省下很多冤枉時(shí)間。3. 圖紙之外的第三變量磁集成變壓器與PCB寄生參數(shù)3.1 用漏感當(dāng)諧振電感省了元件多了工藝約束很多LLC設(shè)計(jì)為了省磁芯、降成本把諧振電感Lr直接用變壓器的漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)不再單獨(dú)放一個(gè)電感。這樣做的好處是省一個(gè)磁件壞處是漏感控制變得特別難。漏感大小由繞組結(jié)構(gòu)決定原副邊耦合緊密則漏感小拉開(kāi)距離則漏感大加氣隙主要影響勵(lì)磁電感而不會(huì)精確控制漏感。批量生產(chǎn)時(shí)同一款變壓器漏感的離散度可能遠(yuǎn)超預(yù)期。比如標(biāo)稱(chēng)8uH來(lái)料實(shí)測(cè)6.5uH到10uH都見(jiàn)過(guò)。漏感偏小諧振頻率偏高最大增益點(diǎn)右移最低輸入電壓滿載時(shí)可能拉不住漏感偏大則諧振頻率偏低死區(qū)時(shí)間相對(duì)變短ZVS容易丟失。我在一次試產(chǎn)中遇到整批效率偏低排查到最后就是漏感一致性差。后來(lái)改成原副邊錯(cuò)層繞制、原邊夾層預(yù)留間距才把離散度控制到正負(fù)5%以內(nèi)。如果項(xiàng)目周期緊、供應(yīng)商工藝又不穩(wěn)定更穩(wěn)妥的做法是變壓器只做基本耦合把漏感壓到2uH以下作為附加寄生諧振電感用獨(dú)立磁件來(lái)保證。雖然多一個(gè)元件但設(shè)計(jì)值和工藝控制都簡(jiǎn)單很多研發(fā)階段尤其值得這么做。3.2 PCB走線對(duì)諧振回路的“偷電感”效應(yīng)諧振電流路徑上的走線寄生電感每厘米大概只有納亨級(jí)別看起來(lái)不起眼但LLC的諧振電容和MOS功率環(huán)路要是繞了很大一圈寄生效應(yīng)對(duì)諧振頻率的影響就不可忽略了。我在某次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)諧振電容電壓波形上疊加了明顯振鈴排查到最后不是器件問(wèn)題而是采樣回路太長(zhǎng)加上普通探頭地線夾子本身又引入了幾百納亨的電感。正確的做法是功率回路盡量緊湊諧振電容到變壓器原邊的距離要短驅(qū)動(dòng)回路和功率回路分開(kāi)走線采樣信號(hào)用差分探頭或者把地線接到源極開(kāi)爾文點(diǎn)。調(diào)試時(shí)不要用普通探頭直接去勾諧振電流探頭地線夾子的電感會(huì)嚴(yán)重污染波形。示波器看到的“異常”不一定真的異常先檢查探頭接法再懷疑電路拓?fù)洹?.3 批量生產(chǎn)中磁芯氣隙的一致性LLC變壓器開(kāi)氣隙主要是為了調(diào)整勵(lì)磁電感Lm但氣隙大小對(duì)Lm的影響極其敏感。氣隙磨大0.05mmLm可能變化10%以上。批量生產(chǎn)中氣隙公差控制不住每臺(tái)電源的增益范圍和輸出特性都會(huì)不一樣。我遇到過(guò)一家磁件供應(yīng)商給的Lm標(biāo)稱(chēng)值150uH實(shí)際到貨120uH到160uH都有同一批樣機(jī)裝出來(lái)滿載效率差1.5%。后來(lái)在規(guī)格書(shū)里明確寫(xiě)了Lm的上下限并要求用自動(dòng)氣隙研磨機(jī)加工問(wèn)題才得到控制。小批量試做階段可以臨時(shí)在中柱墊一張聚酯薄膜來(lái)微調(diào)氣隙但正式產(chǎn)品不建議這樣干溫度變化后薄膜變形會(huì)導(dǎo)致參數(shù)漂移。4. 調(diào)試臺(tái)上的四個(gè)翻車(chē)場(chǎng)景與排查鏈路4.1 場(chǎng)景一滿載啟動(dòng)反復(fù)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象是軟啟動(dòng)一加載保護(hù)立刻動(dòng)作頻率往上跳然后反復(fù)重啟。第一次遇到這種情況很容易誤以為是過(guò)流保護(hù)閾值設(shè)得太低。實(shí)際上要按這個(gè)順序排查先看電流波形是落在容性區(qū)還是感性區(qū)再看軟啟動(dòng)的起始頻率是不是設(shè)置得過(guò)高或過(guò)低然后測(cè)控制芯片的環(huán)路補(bǔ)償引腳電壓如果它被拉滿說(shuō)明環(huán)路試圖恢復(fù)輸出但被保護(hù)限制住了。根本原因通常是設(shè)計(jì)時(shí)低估了啟動(dòng)過(guò)程中輸出電容充電所需的額外增益或者軟啟動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于輸出電容的充電時(shí)間。解決方法是延長(zhǎng)軟啟動(dòng)時(shí)間讓系統(tǒng)先以固定高頻率空載運(yùn)行一段時(shí)間輸出建立后再閉環(huán)。過(guò)流保護(hù)閾值可以適當(dāng)放大但不要超過(guò)器件安全區(qū)否則就是把風(fēng)險(xiǎn)后移到了其他工況。4.2 場(chǎng)景二低壓滿載時(shí)效率驟降MOS溫度筆直往上走現(xiàn)象很典型額定電壓滿載一切正常輸入電壓降到最低時(shí)滿載效率掉4個(gè)百分點(diǎn)MOS管溫度明顯偏高。排查時(shí)先用示波器看開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)現(xiàn)下管開(kāi)通前一小段沒(méi)有完全落到零這正是ZVS丟失的波形特征。原因是最低壓滿載時(shí)增益需求變大工作頻率一路降低如果工作點(diǎn)已經(jīng)逼近甚至越過(guò)了感性區(qū)與容性區(qū)的邊界原邊開(kāi)關(guān)管就開(kāi)始硬開(kāi)通體二極管反向恢復(fù)損耗急劇增加。解決方向有兩個(gè)一是重新設(shè)計(jì)參數(shù)把額定滿載工作點(diǎn)從諧振頻率附近往低頻側(cè)挪一點(diǎn)給最低壓滿載留出增益裕量二是適當(dāng)延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間。這個(gè)場(chǎng)景比場(chǎng)景一更隱蔽因?yàn)樗粫?huì)立刻炸管只會(huì)讓你覺(jué)得效率越來(lái)越差最后才發(fā)現(xiàn)是邊界條件設(shè)計(jì)不足。4.3 場(chǎng)景三同步整流驅(qū)動(dòng)錯(cuò)相次級(jí)直通的連鎖反應(yīng)同步整流本來(lái)是為了降低副邊導(dǎo)通損耗用的但驅(qū)動(dòng)相位一旦搞錯(cuò)后果比單純的二極管整流嚴(yán)重得多。現(xiàn)象是裝完同步整流后效率沒(méi)有提升反而下降原邊電流波形出現(xiàn)毛刺復(fù)邊MOS發(fā)熱嚴(yán)重偶爾炸管。排查時(shí)先看次級(jí)同步整流管的柵極信號(hào)和原邊開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的相位關(guān)系。LLC的輸出電流是正弦基波電流副邊整流管和續(xù)流管的導(dǎo)通區(qū)間與原邊驅(qū)動(dòng)有固定相位。如果兩個(gè)副邊管同時(shí)導(dǎo)通次級(jí)等于被短路原邊電流會(huì)瞬間飆高。我現(xiàn)在的做法是先斷開(kāi)同步整流驅(qū)動(dòng)用二極管整流驗(yàn)證原邊是否正常再接同步整流這樣能快速把故障定位到驅(qū)動(dòng)層。4.4 場(chǎng)景四短路保護(hù)拉高頻率后依然炸管有些控制芯片在短路時(shí)會(huì)把頻率拉到最高來(lái)降低增益但實(shí)測(cè)中仍然會(huì)炸原邊MOS。原因是短路瞬間副邊反射阻抗變得很小Q值很大增益曲線在諧振點(diǎn)附近非常尖銳。頻率雖然拉到最高但拉高的過(guò)程需要時(shí)間在控制環(huán)路還沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)時(shí)諧振電流已經(jīng)沖到正常工作電流的數(shù)倍。另外還有一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)頻率拉高后開(kāi)關(guān)周期變短如果芯片有最小導(dǎo)通時(shí)間限制最高頻率并不能真正達(dá)到設(shè)計(jì)值系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入一種“間歇撞墻”狀態(tài)電流反而不受控。這種情況下單靠拉頻率做短路保護(hù)是不夠的必須在輸出端加快速短路檢測(cè)直接封鎖PWM。短路實(shí)驗(yàn)也要把母線電容儲(chǔ)能算進(jìn)去母線電壓越高一次短路釋放的能量越大必須反復(fù)測(cè)試才能放心。5. 不同功率等級(jí)下的LLC應(yīng)用選型與參數(shù)取舍5.1 半橋、全橋、三電平LLC按功率和母線電壓選型LLC不是只有一種結(jié)構(gòu)。半橋LLC適合幾百瓦到一千瓦左右的中功率場(chǎng)景原邊兩個(gè)管子輸入電壓靠分壓電容提供中點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低。全橋LLC適合1kW以上到幾kW的功率段原邊四個(gè)開(kāi)關(guān)管勵(lì)磁電流不流過(guò)輸入分壓電容輸出能力和增益范圍都更大。三電平LLC則針對(duì)高壓母線場(chǎng)景比如800V直流母線用三電平結(jié)構(gòu)把開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力減半常見(jiàn)于車(chē)載充電和儲(chǔ)能模塊。選型的時(shí)候先看輸入母線電壓和輸出功率再看輸出電壓范圍。如果輸出電壓范圍很寬比如電池充電需要做到2:1單純的變頻LLC會(huì)非常難調(diào)因?yàn)轭l率范圍會(huì)被拉得很寬磁性元件和死區(qū)時(shí)間都很難兼顧。這種情況下可以考慮PFM加移相的混合控制或者在后級(jí)串一個(gè)Buck/Boost做二次調(diào)整讓LLC只工作在窄范圍高效率區(qū)間。5.2 控制IC、環(huán)路與保護(hù)配置值得優(yōu)先關(guān)注的幾個(gè)參數(shù)市面上做LLC的控制芯片很多選芯片時(shí)我優(yōu)先看四個(gè)點(diǎn)軟啟動(dòng)時(shí)間能不能可調(diào)最大最小頻率鉗位在哪里過(guò)流保護(hù)的反應(yīng)速度以及死區(qū)時(shí)間是否支持外部配置。這四個(gè)參數(shù)直接決定了調(diào)試時(shí)的工作量。環(huán)路參數(shù)也別照抄參考設(shè)計(jì)。LLC的環(huán)路響應(yīng)比普通PWM慢因?yàn)榭刂屏渴穷l率而不是占空比帶寬通常做到1kHz到5kHz就夠太高反而會(huì)在頻率突變時(shí)引起振蕩。調(diào)試時(shí)可以用電子負(fù)載做負(fù)載階躍觀察輸出過(guò)沖和頻率變化如果頻率出現(xiàn)大范圍擺動(dòng)還收不住多半是環(huán)路相位裕量不足需要降帶寬或者調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)。5.3 一個(gè)我常用的調(diào)試順序最后分享一個(gè)我自己總結(jié)的調(diào)試順序按照這個(gè)來(lái)能少走很多彎路。先把頻率中點(diǎn)設(shè)到諧振頻率附近死區(qū)時(shí)間按Coss估算值配置然后接阻性負(fù)載做滿載測(cè)試確認(rèn)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓完整落到零再掃輸入電壓下限確認(rèn)最低壓滿載時(shí)仍然工作在感性區(qū)確認(rèn)無(wú)誤后再調(diào)環(huán)路和同步整流最后做短路、過(guò)流、過(guò)溫這些保護(hù)測(cè)試。凡是先調(diào)環(huán)路再調(diào)功率級(jí)的十有八九會(huì)繞回原點(diǎn)重來(lái)。調(diào)試時(shí)還可以在諧振電容兩端并聯(lián)一個(gè)示波器通道和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形同屏觀察。只要看到諧振電容電壓波形在半周期內(nèi)出現(xiàn)反向斜率異常先別懷疑器件優(yōu)先檢查是不是工作點(diǎn)已經(jīng)跑到容性區(qū)了。這一招幫我避開(kāi)了至少三次炸管事故也讓我真正理解了那句老話LLC設(shè)計(jì)得再漂亮最后還是要在示波器上見(jiàn)真章。