Llc блок питания это

Обновлено: 07.07.2024

В чем же преимущества резонансного ИИП в сравнении с "классическим импульсником"? Преимущества резонансного режима - это низкие потери и электромагнитные помехи (которые гораздо проще поддаются контролю и фильтрации), ниже потери восстановления выпрямительных диодов, меньше нагрузка на все элементы блока питания, что дает повышенную надежность и долговечность относительно "классических ИИП", возможность работы на гораздо более высоких частотах без ущерба эффективности, надежности и стоимости. И самый главное преимущество: резонансник - это модно :D

Далее приведу некоторые технические характеристики, моего экземпляра резонансного ИИП на базе IRS27952:

Выходная мощность (расчетная) = 250Вт
Выходная мощность (максимально испытанная) = 276Вт
Выходное напряжение (в диапазоне от 0Вт до 276Вт) = +/- 40В (+/-0.1В)
КПД (при выходной мощности 276Вт) = 92%

Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):

Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение преобразователя на одном уровне, во всем диапазоне выходных мощностей. При работе на выходной мощности до 200Вт, нет никакого ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания. Силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276Вт, ключи становятся едва ощутимо теплыми, но уже ощутимо начинает разогреваться первична обмотка трансформатора. Защита от КЗ работает исправно. При замыкании выхода преобразователя, прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, по прошествии определенного времени, блок питания самостоятельно перезапускается и продолжает работу в нормальном режиме.

Схема резонансного импульсного источника питания на базе IRS27952:

Подробно описывать принцип работы схемы не буду, остановлюсь лишь на отдельных моментах. Первоначальный запуск преобразователя происходит через цепь из резисторов R16, R10, R7 и R6. Дальнейшее питания контроллера осуществляется от цепи самопитания (R14, C8, VD4, VD7). Стабилитрон VD2 поддерживает напряжение питания контроллера на одном уровне - 16В. Хочу обратить внимание, что IRS27952, в отличает от например IR2153 и IR2161, не имеет встроенного стабилитрона, поэтому применение внешнего стабилитрона строго обязательно, иначе контроллер гарантированно выйдет из строя. Конденсаторы C3 и C5 сглаживают пульсации и устраняют помехи в цепи питания IRS27952. Цепочки резисторов R1, R2, R3 и R5, R9, R15 - предназначены для разрядки конденсаторов после отключения сетевого питания преобразователя. Отдельное внимание следует уделить следующим элементам: Rfmin, Rfmax, Rfss, Ct, Css - это частото и время задающие элементы преобразователя, их номиналы необходимо рассчитывать под ваши конкретные задачи, об этом будет далее. Стабилитроны VD10 и VD13, так же подбираются под необходимое вам выходное напряжение: суммарное напряжение стабилизации двух стабилитронов должно быть равно расчетному значению выходного напряжения одного плеча, в данном случае для получения выходного напряжения +/-40В, применены два стабилитрона по 20В. Пожалуй это все что можно рассказать о схеме, принципиально она мало отличается от любой из схем импульсного преобразователя, выполненного на контроллерах от International Rectifier (теперь уже - Infineon). Самое время перейти к расчету.

Расчет резонансной цепи. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One, авторства Старичка. Сразу скажу, что метод расчета описанный далее, является упрощенным и опытный глаз сможет найти в нем некоторые упущения, сделано это намерено, ради того чтобы максимально упростить расчет, чтобы максимальное числом неподготовленных радиолюбителей смогло повторить данный резонансный ИИП. И так, открываем программу и вводим исходные данные:

На первом этапе вводим все исходные данные как на скриншоте выше (дальше мы будем их корректировать). Все что вам нужно выбрать самостоятельно - это выходное напряжение. В окошке напротив "Номинальное напряжение, В", вводим необходимое вам напряжение. Например, если вам необходимо двухполярное выходное напряжения +/-40В, то вводим 80В (80В=40В+40В). Повторюсь: необходимо подобрать номиналы стабилитронов VD10 и VD13, таким образом, чтобы их суммарное напряжение стабилизации было примерно равно необходимому вам выходному напряжению ИИП (напряжению одного плеча). То есть, если вам необходимо выходное напряжение +/-40В, то необходимо использовать два стабилитрона по 20В, если необходимо например +/-35В, то стабилитрон VD10 на 30В и стабилитрон VD13 на 5,1В. Номинальный ток вычисляем из необходимой нам выходной мощности блока питания и напряжения. Допустим мы хотим получить ИИП с выходной мощностью 200Вт, значит нам необходимо желаемые 200Вт разделить на номинальное напряжение, в нашем случае 200Вт/80В и получится номинальный ток = 2,5А - это значение вписываем в соответствующее окошко программы. Прямое падение на диодах указываем 1В. Если вы знаете точное значение падения напряжения на диоде, то указывайте его, но в любом случае можно указывать прямое падение на диодах равно одному вольту, на точность расчета это почти никак не повлияет, на работоспособность тем более. Далее выбираем тип выпрямления - мостовое. И вводим желаемые диаметры проводов, которыми вы будете наматывать трансформатор. Диаметр провода не должен быть более 0,5мм, лучше использовать более тонкий провод и мотать в несколько жил. После этого выбираем подходящий сердечник:

Я использовал сердечник ETD29 и поэтому на плате посадочное место сделано под этот тип и размер сердечника, под любой другой сердечник придется корректировать печатную плату. А вам необходимо выбрать такой сердечник, чтобы он подходил по габаритной мощности и вся обмотка уместилась на его каркасе. После выбора сердечника, жмем кнопку "Рассчитать" и смотрим что у нас получилось:

Сразу нужно выставить минимально возможную величину немагнитного зазора, равную той, что предлагает программа (в моем случае 0,67мм) и снова нажать кнопку "рассчитать". После этого смотрим только на одну строку - это "емкость резонансного конденсатора". Чтобы упростить себе жизнь и не тратить свое время и силы на подбор нестандартной емкости из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, меняем значение резонансной частоты в соответствующем окошке программы, таким образом, чтобы емкость резонансного конденсатора получилась равна какому-либо стандартному значению емкости. В моем случае емкость резонансного конденсатора получилась 28нФ, ближайшее стандартное значение 33нФ, к этому значению и будем стремиться.

При манипуляциях с резонансной частотой, величину зазора всегда нужно устанавливать минимальной или очень близкой к минимальному значению что предлагает программа. Резонансную частоту я рекомендую выбирать в диапазоне 85 - 150кГц.. В моем случае резонансная частота, соответствующая "удобной" резонансной емкости, получилась 90кГц. Все самые главные цифры которые вам нужно запомнить, записать, заскринить, которые понадобятся в дальнейшем:

Значения в красных прямоугольниках понадобятся вам при намотке трансформатора. Хочу обратить внимание, что число витков вторичной обмотки соответствует введенному значению выходного напряжения - 80В. Если мы хотим получить блок питания с двухполярным выходным напряжением +/-40В, необходимо мотать не одну, а две вторичные обмотки, в данном случае две обмотки по 12-13 витков (полученные 25 витков делим на два). Для дальнейших расчетов нам нужно взглянуть на передаточную характеристику (для этого нужно на нажать на соответствующую кнопку в левом верхнем углу окна программы):

Запоминаем значения Fmin и Fmax. У нас они равны: Fmin=54кГц, Fmax=87кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов.

Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи нужно скачать файл NominaliObvyazki.xlsx. Для открытия его вам потребуется Microsoft Excel. Открываем файл и видим следующее:

Осталось только ввести наши Fmin и Fmax полученные выше и получить все номиналы обвязки IRS27952. Единственное, нам нужно выбрать емкость конденсаторы Ct, который задает величину мертвого времени. По хорошему, для этого потребовался бы достаточно сложный расчет, который необходимо выполнять исходя из параметров применяемых ключей, но поскольку у нас расчет упрощенный, я рекомендую просто использовать в качестве конденсаторы Ct, конденсатор с емкостью 390-470пФ. Этой емкости и соответствующего ему - мертвого времени, будет достаточно чтобы не перейти в режим жесткого переключения, при применении большинства популярных ключей, таких как как IRF740, STP10NK60, STF13NM60 и указанных в схеме 2SK3568. Оптимальная продолжительность софт-старта - 0,1 сек, можно установить большую продолжительность до 0,3 сек, больше не имеет смысла (при выходной емкости конденсаторов ИИП до 10000мкФ). Вводим наши Fmin и Fmax и получаем:

Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной частот и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным.

Реализация резонансной цепи. В резонансную цепь входят: резонансный трансформатор, резонансная емкость и дополнительный резонансный дроссель (если он необходим). Номинал резонансной емкости нам уже известен. Резонансный конденсатор должен быть пленочным, типа CBB21 или CBB81, допускается так же CL21 (но не рекомендуется). Напряжение конденсатор должно быть не менее 630В, лучше 1000В. Связано это с тем, что максимально допустимое напряжение на конденсаторе зависит от частоты тока через конденсатор, конденсатор на 400В проживет не долго. И теперь самое интересное - резонансный трансформатор. Для его намотки у нас есть все необходимые исходные данные. Как мотать? Вариантов есть несколько. Первый вариант: мотать как обычный трансформатор - мотаем первичку на всю ширину каркаса, после мотаем вторичку на всю ширину каркаса (или наоборот, сначала вторичку, потом первичку). Второй вариант: мотать вторичку на всю ширину каркаса, а первичку на половину или на треть ширины каркаса (или наоборот - первичку на всю ширину, а вторичку на половину или треть ширины каркаса). И третий вариант: использовать секционную намотку, когда первичная и вторичная обмотки полностью разделены. Для этого потребуется либо специальный секционированный каркас или такой каркас придется сделать самому, разделив каркас пластиковой перегородкой.

Зачем это и что это дает? Первый вариант - самый простой, но дает минимальную индуктивность рассеивания. Второй вариант - очень неудобный в намотке, дает среднюю по величине индуктивность рассеивания. Третий вариант - дает самую высокую и самую предсказуемую величину индуктивности рассеивания, кроме того наиболее удобный в намотке способ. Вы можете выбирать любой из вариантов. После того как вы определились с вариантом намотки и намотали нужное количество витков первичной и вторичной обмоток, необходимо изменить получившуюся индуктивность рассеивания первичной обмотки получившегося трансформатора. Для этого необходимо собрать трансформатор. На этом этапе склеивать части сердечника и вводить зазор не нужно (от величины зазора, наличия его или отсутствия, индуктивность рассеивания не зависит), достаточно временно стянуть сердечник изолентой. Необходимо, с помощью пайки, надежно замкнуть все выводы вторичной обмотки между собой и измерить индуктивность первичной обмотки. Полученное значение индуктивности и будет индуктивностью рассеивания первичной обмотки трансформатора. Допустим у вас получилась индуктивность рассеивания 50мкГн. Сравниваем получившееся значение с расчетным значением Lr, которое вы рассчитали выше:

Не сошлось! Надо 94мкГн, а у нас получилось 50мкГн. Что делать? Главное не паниковать! Такое бывает, обязательно будет у вас и это абсолютно нормально. Устранить это несоответствие нам поможет дополнительный резонансный дроссель. Но, если еще не забыли, чуть выше я писал про три варианта намотки трансформатора?! Так вот, первый способ дает самую низкую индуктивность рассеивания и используя его, вам гарантированно понадобится дополнительный дроссель. Второй вариант дает среднюю по величине индуктивность рассеивания и дроссель скорее всего вам все равно понадобится, но не с такой большой индуктивностью, как при использовании первого варианта. А вот в случае использования третьего варианта, возможно сразу получить необходимую индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора, без использования дополнительно резонансного дросселя. Необходимая индуктивность рассеивания, при третьем варианте намотки, получается правильным выбором соотношения ширины намотки первичной и вторичной обмоток. Возможно даже что вам повезет и вы сможете угадать с шириной намотки первички и вторичек, и сходу получить нужную индуктивность рассеивания (как это получилось у меня). Но если вам не повезло и измеренная индуктивность рассеивания и необходимое расчетное значение не совпали, то необходимо использовать дополнительный резонансный дроссель. Индуктивность дросселя должна быть равна: расчетное значение Lr минус получившееся реальное значение индуктивности рассеивания первичной обмотки. В нашем случае: 94мкГн-50мкГн=44мкГн - именно такой должна быть индуктивность дополнительного резонансного дросселя, который на схеме и на плате показан как Lr. На чем мотать? Мотать правильнее всего на кольце из материала -2 или -14, выглядят такие кольца следующим образом:

Для намотки резонансного дросселя так же допускается использовать ферритовые кольца (зеленые или синие), но обязательно с зазором. Величина зазора выбирается произвольно. Для колец из материала -2 и -14 зазор не нужен. Мотать резонансный дроссель необходимо тем же проводов и тем же количеством жил что и первичную обмотку трансформатора. Количество витков должно быть таким, чтобы получить необходимое значение индуктивности, в нашем случае 44мкГн. И когда дроссель (если он оказался необходим) и резонансный трансформатор намотаны, необходимо подогнать индуктивность его первичной обмотки к расчетному значению. Выше мы уже вычислили какой должна быть полная индуктивность первичной обмотки трансформатора. В случае если реальная индуктивность рассеивания совпала с расчетным значением резонансной индуктивности и дополнительный резонансный дроссель оказался не нужен, то индуктивность первичной обмотки, подбором величины зазора в сердечнике трансформатора, подгоняется под расчетное значение:

То есть, необходимо, постепенно увеличивать зазор между частями сердечника трансформатора, пока измеренная индуктивность первичной обмотки трансформатора не станет равной нашему расчетному значению - 524мкГн. Но это только в случае, если не будет использоваться дополнительный резонансный дроссель. Если дополнительный дроссель будет присутствовать, то из расчетного значения полной индуктивности первичной обмотки, необходимо вычесть индуктивность этого дополнительного дросселя. В нашем случае получается 524мкГн-44мкГн=480мкГн, именно такой должна получится индуктивности первчиной обмотки нашего трансформатора. Индуктивность первичной обмотки измеряется с разомкнутыми вторичными обмотками. После достижения необходимого значения индуктивности первичной обмотки трансформатора, можно считать трансформатор и резонансный дроссель готовыми, а расчет оконченным.

Как убедиться что все получилось, что получившийся ИИП действительно резонансник? Необходимо с помощью осциллографа смотреть форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается временная пробная обмотка из 2-3 витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330-750Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано на моих осциллограммах выше). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330-750Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.

Немного фотографий:

В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!

Недавно мне довелось разбираться со схемой резонансного полумостового LLC-преобразователя, и я подумал, что этот опыт можно использовать для создания серии статей: начать с описания основ и постепенно углубляться в тему. Мне потребовалось достаточно много времени для ознакомления с публикациями, диссертациями и руководствами, прежде чем я разобрался с работой этой схемы. Вышло так, что изучение источников информации, приведенных в списке литературы, заняло больше времени, чем написание самой статьи. Обратите внимание, что ни в одном из приведенных источников не сделан полный анализ работы этого преобразователя, имеющего много различных режимов и условий работы. Надеюсь, вы сможете получить общее представление о работе схемы с моей помощью. Эта помощь будет заключаться в фильтрации информации и акцентировании внимания на наиболее важных ключевых моментах предлагаемых документов.

Рис. 1. DC/AC резонансный преобразователь

Рис. 2. DC/AC резонансный преобразователь с трансформаторной развязкой

LLC-преобразователи являются разновидностью импульсных преобразователей напряжения (Switched Mode Power Supply, SMPS). Большинство публикаций по данной теме начинается с описания основных принципов работы LLC. Я же начну с того, что объясню, чем LLC отличается от других типов импульсных преобразователей.

Работа обычного импульсного преобразователя состоит из двух фаз. В первой фазе происходит запасание энергии в индуктивности. Во второй фазе накопленная энергия расходуется для поддержания тока. Вы наверняка помните, что, согласно законам коммутации, ток в индуктивности не может измениться скачком (в случае корректной коммутации), точно так же, как и напряжение на конденсаторе. Этот принцип является основой работы большинства импульсных преобразователей.
Работа LLC-преобразователя основана на создании синусоидального тока, который выпрямляется и запасается в большом конденсаторе. Индуктивность используется не для простого накопления энергии, а выступает в качестве резонансного элемента. Она выполняет функцию фильтра, который помогает преобразовать прямоугольный сигнал в синусоидальную форму, тогда как индуктивность намагничивания все еще работает с традиционным током треугольной формы. Это одна из особенностей, которая нуждается в дополнительном пояснении.

С рабочими режимами в LLC-преобразователях все оказывается еще сложнее, поскольку они имеют множество отличий:

вместо того чтобы работать с фиксированной частотой коммутаций и изменять коэффициент заполнения ШИМ, LLC-преобразователи изменяют частоту, а коэффициент заполнения ШИМ постоянен и составляет 50%;
передача энергии в LLC-преобразователях основана на рабочей точке индуктивности намагничивания;
в LLC-преобразователях используется переменная скорость изменения напряжения в зависимости от тока нагрузки;
в них есть две резонансные частоты, которые влияют друг на друга;
режим непрерывного тока (Continuous current mode, CCM) для LLC-преобразователей относится к току выпрямителя, а не индуктивности, поскольку традиционная индуктивность в схеме отсутствует.

Большая часть сказанного выше может показаться сложной и непонятной, особенно для тех, кто только начинает знакомиться с силовой электроникой. Во второй части данной публикации будут рассмотрены основные источники информации, а также некоторые ключевые моменты, которые я считаю полезными. Однако рассказ о резонансных преобразователях требует рассмотрения некоторого базового вводного материала.

Импульсные регуляторы произвели революцию в области преобразования постоянного напряжения и преобразования мощности в целом. Инженеры быстро поняли, что комбинация из силового ключа, выпрямителя, индуктивности и конденсатора может с высокой эффективностью выполнять конвертацию напряжения даже при большой разнице между уровнями напряжения на входе и выходе (рис. 1). Кроме того, трансформаторы могут решить проблемы гальванической развязки и согласования большой разности уровней напряжения (рис. 2).

В идеальном мире преобразователей мощности все было бы хорошо, но, как часто бывает в реальной жизни, решение одной проблемы в конечном итоге создает проблемы в других областях. Например, геометрические размеры импульсного преобразователя во многом определяются рабочей частотой коммутаций, поэтому, если требуется уменьшить габариты электроники, то необходимо поднимать частоту. Кроме того, от преобразователей напряжения требовалось постоянное увеличение выходной мощности. Повышение частоты переключений в сочетании с ростом импульсных токов и напряжений приводили к хаосу из-за появления звонов, которые, в свою очередь, были вызваны паразитными составляющими самой схемы при работе с прямоугольными импульсами.

Для борьбы с описанными явлениями были созданы резонансные схемы с переключениями при нулевых токах (Zero Current Switching, ZCS) и нулевых напряжениях (Zero Voltage Switching, ZVS). Они оказываются менее чувствительными к паразитным составляющим. Однако главная проблема резонансных схем заключается в том, что резонанс ограничивается определенной частотой, которая приравнивается к части ширины импульса или времени включения/ выключения преобразователя. Увеличение входного напряжения или колебания тока нагрузки приведут к работе вне настроенной резонансной частоты.

Используемые в схемах компоненты также имеют собственные паразитные составляющие, которые могут варьироваться в зависимости от конструкции, рабочей точки и проводящего рисунка платы. В этом смысле LLC-преобразователи дают больше свободы, хотя они также имеют ограниченный диапазон рабочих частот и теряют эффективность при работе на частотах, отличных от настроенной частоты f1. Вы можете спросить: о какой частоте f1 идет речь?

Дело в том, что двойное «L» в названии «LLC-преобразователь» указывает на две резонансные частоты в рабочем диапазоне. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла. Пока стоит только запомнить, что выбор рабочих точек, используемых в LLC-преобразователях, обеспечивает как ZVS-, так и ZCS-переключения в силовых ключах MOSFET, а также ZCS-переключения в выпрямительных диодах. Это позволяет решить проблемы, связанные с восстановлением обратного диода выпрямителя.

Теперь, когда приведены базовые особенности работы импульсных резонансных преобразователей, дадим краткое описание используемых источников информации.

Лучшим способом облегчить себе жизнь при изучении работы LLC-схем будет ознакомление с руководством от компании ON Semiconductor [2]. Это руководство начинается с уравнения делителя напряжения, с помощью которого, используя значения импеданса двух катушек индуктивности LL и конденсатора C в сочетании с сопротивлением нагрузки, объясняется принцип работы LLC-преобразователя (рисунки 3, 4). Обратите внимание, что две индуктивности представляют собой индуктивности утечки и намагничивания трансформатора. Они образуют резонансную цепь накопителя с дополнительной последовательной емкостной составляющей. В случае с LLC величина паразитной выходной емкости MOSFET (или Coss) не играет большой роли в отличие от обычных резонансных преобразователей с ZVS и ZCS.

Рис. 3. Делитель напряжения

Рис. 4. Делитель переменного напряжения с резонансным элементом

Первая ссылка в списке литературы указывает на докторскую диссертацию Бо Янга "Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems" [1]. В ней можно найти ссылки на другие публикации, которые помогут разобраться с темой LLC и самой диссертацией. Обратите внимание, что в первой ссылке есть подссылки на четвертую часть диссертации, а также на Приложение B, где приводится важный график напряжения (эта ссылка содержит Приложения от A до D и дополнительные ссылки). Хотя этот график приводится в большинстве источников, его создание потребовало от меня напряженной работы и заполнения некоторых пробелов в знаниях (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления преобразователя от величины fs/fr

Ссылки 3 и 4 оказали мне решающую помощь при построении графика усиления преобразователя, поскольку в них отмечалось влияние емкостной составляющей на коэффициент передачи и объяснялось, почему отрицательный импеданс вносил неразбериху в графики. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла.

Ссылка 5 – руководство от Infineon, которое содержит подробное описание наиболее полезных шагов, выполняемых при проектировании. В этом документе сравниваются особенности переключений и выпрямления в мостовой и полумостовой схемах, а также - связанные с ними компромиссы. Я использовал мостовую и полумостовую схемы для объяснения, как связанны напряжение и ток. В мостовой схеме полевые МОП-транзисторы каскадируются для получения требуемого напряжения. Параллельное включение транзисторов необходимо для увеличения нагрузочного тока. Обычным требованием для импульсных регуляторов напряжения является исключение постоянной составляющей подмагничивания, чтобы не допускать насыщения трансформатора. Как упоминалось ранее, LLC-преобразователи отличаются тем, что мост им нужен для создания положительной и отрицательной полуволн сигнала, который, проходя фильтрацию, принимает синусоидальную форму.

Ссылка 6 от Fairchild – единственная среди найденных мной ссылок, в которой уравнение усиления также включает вторичную индуктивность рассеяния. Обратите внимание, что вторичная индуктивность рассеяния, а также сопротивление нагрузки отражаются через трансформатор и, таким образом, могут быть подстроены за счет изменения соотношения числа витков обмоток. В данном руководстве содержится ряд ключевых советов, которые помогут в разработке реальной схемы.

В документации от Infineon/Fairchild также подробно описывается конструкция трансформатора. Поскольку резонансная настройка LLC основывается как на индуктивности рассеяния, так и на намагничивающей индуктивности трансформатора, эта информация в нашем случае оказывается бесполезной.

Наши университетские друзья в Колорадо поделились некоторыми сведениями о преобразовании мощности. В частности, в курсе электротехники ЕЭК 562 Colorado State можно найти множество примеров моделирования, выполненных в MATLAB.

Говоря о моделировании, стоит отметить, что во многих источниках приводятся ссылки на модели SPICE. Я не отдаю предпочтение какой-либо конкретной ссылке и считаю, что, изучив их, можно убедиться в существовании различных режимов работы LLC-конвертера. Но стоит вновь отметить, что у LLC есть множество отличий от традиционных импульсных преобразователей.

Опытный образец, с которым я работаю, создан компанией Texas Instruments. Благодаря корректору коэффициента мощности эта система обеспечивает стабильную работу со входным напряжением 400 В DC. Исследование образца показало допустимость больших колебаний тока нагрузки и продемонстрировало влияние тока на рабочую точку и резонансную частоту.

В заключение хочется отметить, что если вы думаете, что сможете в разных статьях найти одинаковые уравнения для определения коэффициента усиления, то вы ошибаетесь. Использование переменной M позволяет учитывать факторы, отличающиеся в каждой конкретной статье, руководстве, диссертации, учебном курсе. Если у меня будет время, я составлю сравнительную таблицу, чтобы показать, чем они отличаются.

Данная статья могла показаться длинной и неконкретной. В ней содержится только вводная информация по теме LLC-преобразователей. Но теперь у вас есть ссылки для ознакомления с особенностями LLC-схемы, обещающей огромные преимущества, начиная от уменьшения или даже устранения потерь при переключениях. Вы также можете исключить огромную катушку индуктивности, поскольку она уже включена в трансформатор. Потребуется несколько статей, чтобы рассмотреть все эти преимущества.

Топология и характеристики резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 1 показана базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя. Эта схема состоит из блока генератора прямоугольных импульсов, резонансной цепи, выпрямителя и фильтра. Блок генератора прямоугольных импульсов состоит из двух MOSFET (Q₁ и Q₂), которые генерируют однополярное напряжение. Резонансная цепь состоит из емкости C_r и двух индуктивностей L_r и L_m. Резонансный LLC-преобразователь отличается от последовательного резонансного LC-преобразователя (SRC) только индуктивностью L_m. Выпрямитель состоит из вторичной стороны преобразователя, двух диодов для двухполупериодного выпрямления и выходной емкости C_o, которая сглаживает выпрямленное напряжение, подаваемое на нагрузку R_L.

Рис. 1. Базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 2 показаны рабочие области резонансного LLC-преобразователя двух типов: с коммутацией при нулевом токе (область ZCS) и при нулевом напряжении (ZVS). В первом случае частота переключения ниже резонансной f_r₂, т. е. поведение резонансной цепи имеет емкостной характер. Иной режим возникает при работе в области ZVS: в этом случае частота переключения выше резонансной f_r₁.

Рис. 2. Рабочие области резонансного LLC-преобразователя

При коммутации преобразователя в диапазоне частот f_r₁–f_r₂ режим его работы (ZVS или ZCS) определяется нагрузкой. В нормальном режиме резонансный LLC-преобразователь работает на частоте чуть выше f_r₁. Это наилучшая рабочая точка, обеспечивающая высокую эффективность. При работе на резонансной частоте выходные параметры преобразователя не зависят от нагрузки. Преобразователю, работающему в этой точке, нет необходимости менять частоту коммутации при любом значении выходной мощности, пока входное напряжение остается неизменным.

Нестандартные рабочие режимы

Работа в емкостной области

Емкостная область работы силовых ключей потенциально опасна. В качестве примера можно привести работу системы в устойчивом режиме при малой нагрузке. В этих условиях рабочая частота системы находится вблизи нижней резонансной частоты, и реализуется режим ZVS.

Представим себе, что нагрузка изменяется с малого значения до высокого; при этом частота коммутации должна соответствовать новой резонансной частоте. Если этого не происходит, преобразователь может перейти в область 3 (рис. 2). Силовой MOSFET выключается, пока ток проходит через внутренний диод, и поскольку второй силовой MOSFET включен, диод может восстановиться, и начнет протекать сквозной ток. В этом случае происходит дополнительное рассеяние мощности, обусловленное прохождением тока через внутренний диод.

При одновременном включении обоих силовых ключей может возникнуть условие отказа полумостовой схемы. Как правило, во время восстановления внутренних диодов происходят выбросы тока большой величины. Этого риска можно избежать, воспользовавшись одним из нескольких решений. Например, специализированный контроллер драйвера затвора, который управляет мертвым временем или сложными контурами, позволяет увеличить этот показатель или обеспечить более высокие значения R_gate. Кроме того, в настоящее время производители полупроводников выпускают специализированные силовые ключи с меньшим временем восстановления. Например, компания STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию MDmesh DM2, благодаря которой время восстановления встроенных диодов стало меньше 200 нс.

Как уже упоминалось, резонансный преобразователь может работать в емкостной или индуктивной областях (рис. 3). В индуктивной области коммутация осуществляется в режиме переключения по нулевому напряжению. При коммутации, когда основной ключ переходит из состояния ВКЛ. в ВЫКЛ., его ток I_p имеет положительную величину (область фиолетового цвета) и протекает от стока к истоку. В емкостной области (бежевого цвета) работа осуществляется в режиме переключения по нулевому току. В этом случае ток на основном ключе протекает от истока к стоку, в т. ч. через физический диод MOSFET-структуры. Рассмотрим работу LLC-системы в емкостном режиме при двух условиях.

Рис. 3. Емкостная и индуктивная области

Мягкий емкостной режим

Этот режим возникает, когда фаза тока резонансного контура приближается к нулевому значению. Например, так происходит при выключении питания при максимальной нагрузке, когда входное напряжение становится небольшим. В этом случае срабатывает усовершенствованная защитная функция (антиемкостной режим) контроллера резонансного контура, например L6699A от STMicroelectronics. С ее помощью повышается частота коммутации, как в условиях перегрузки, что увеличивает фазу тока резонансного контура.

Жесткий емкостной режим

Этот режим возникает, когда фаза тока резонансного контура становится нулевой или отрицательной при переходе из одного цикла в другой, как в случае короткого замыкания на выходе (рис. 4). В этом случае силовой MOSFET выключается, работа преобразователя прекращается, и жесткой коммутации не происходит.

Рис. 4. Жесткий емкостной режим

Жесткое переключение при запуске

При запуске системы режим ZVS может выключиться, что приведет к жесткой коммутации силовых ключей и появлению большого обратного тока при восстановлении диода. При запуске системы напряжение на емкости резонансного контура изначально отсутствует, и требуется ряд коммутационных циклов, прежде чем оно достигнет величины V_in/2 в устойчивом режиме. В начале переходного процесса могут появиться большие всплески тока в резонансном контуре. Этот ток не меняет полярности в первом одном или в первых двух коммутационных циклах. В этих потенциально опасных условиях работа в емкостном режиме и с жесткой коммутацией может оказаться очень ограниченной по времени. dV/dt и dI/dt силового ключа могут превысить номинальные значения (рис. 5) и привести к отказу.

Рис. 5. Опасный режим работы устройства, работающего в условиях превышения номинальных значений

Замедление динамики переходных процессов в схеме с комбинацией диода и резисторов, установленных последовательно двум затворам, помогает избежать этих отказов.

Жесткая коммутация в результате отключения питания

Во время нормальной работы импульсного источника питания может возникнуть режим жесткого переключения. Если отключить систему от основного источника питания, она может перейти в емкостной режим (рис. 6). На рисунке видно, что после отключения основного источника питания (точка А) мертвого времени, установленного драйвером, недостаточно для дальнейшего продолжения работы в индуктивном режиме. В этих условиях сквозной ток ключей увеличивается.

Рис. 6. Режим жесткой коммутации в результате отключения питания

Жесткая коммутация из-за быстрого переходного процесса на нагрузке

В этом случае система не в состоянии достаточно быстро изменить частоту коммутации. В результате возникает емкостной режим работы, пока управляющий блок пытается восстановить нормальную работу импульсного источника питания в индуктивном режиме.

По сигналу напряжения V_gs (фиолетового цвета) на рис. 7 видно, как меняется рабочая частота при быстром переходном процессе на нагрузке. Сигнал тока (бирюзового цвета) имеет типичный вид для резонансного LLC-преобразователя. Напряжение V_ds (зеленого цвета) отстает от сигнала тока. Далее этот сигнал принимает типовой вид для емкостной цепи.

Рис. 7. Режим жесткой коммутации в результате быстрого переходного процесса на нагрузке

Выводы

Мы рассмотрели характеристики резонансной LLC-топологии, и в частности, механизмы возникновения отказов силовых ключей при работе системы. Для их предотвращения применяются специализированные ключи, например серии DM2 от компании STMicroelectronics.

Многие пользователи используют в материнских платах функцию калибровки линии нагрузки Load-Line Calibration (LLC), которая уменьшает просадку напряжения питания на процессоре. Особенно востребована функция при разгоне высокопроизводительных ЦП. Но неправильная установка режима калибровки способна вывести процессор из строя. Давайте разберемся, как работает LLC и дадим рекомендации по его правильной настройке.

Почему при стабилизированном напряжении VRM происходит просадка питающего напряжения

Для начала вспомним, для чего необходим VRM (модуль регулятора напряжения) центрального процессора и как он работает. VRM преобразует напряжение от блока питания (12 В) в низковольтное стабилизированное напряжение питания процессора (от 1,1 до 1,4 В). Сила тока при этом может достигать 150 А и более, в зависимости от модели ЦП.

Физически VRM состоит из импульсных стабилизаторов, часто называемых фазами питания, которые включают в себя индуктивно-емкостные LC-фильтры. С помощью коммутаторов на них подаются короткие импульсы. Благодаря интегрирующим свойствам фильтров, поступающие импульсы сглаживаются. То есть, форма питающего напряжения становится приемлемой для питания центрального процессора, хоть и имеет остаточную пульсацию. Эти импульсы формируются фазами питания не одновременно, а поочередно, при этом количество импульсов в одном цикле работы VRM будет соответствовать количеству фаз питания. Таким образом, чем больше фаз, тем больше импульсов в одном цикле, и тем выше качество сглаживания напряжения и больше максимальная развиваемая мощность.

Более подробно ознакомиться с работой модуля регулятора напряжения можно в специализированном материале. А о количестве фаз читайте здесь.

VRM является следящей системой автоматического регулирования. Это значит, что выходной регулируемый параметр (в нашем случае — напряжение с выхода VRM) через цепь обратной связи подается на вход этой системы. Затем происходит оценка отклонения от заданного значения и формирование управляющего воздействия для его корректировки.

При увеличении процессором тока потребления, напряжение на выходе VRM начинает уменьшаться и по цепи обратной связи поступает на схему сравнения. Последняя дает ШИМ-контроллеру команду на увеличение длительности импульсов. Это приводит к возрастанию передаваемой мощности через фазы питания и увеличению выходного напряжения до исходного уровня.

Почему же происходит просадка питающего напряжения при увеличении нагрузки? Дело в том, что VRM контролирует и стабилизирует напряжение только в той точке, от которой ответвляется цепь обратной связи. Фактическое значение на выводах центрального процессора VRM «не видит» — соответственно, на изменение этого напряжения он никак не реагирует.

К примеру, ток потребления процессора при мощности в 200 Вт и напряжении питания 1,2 В составляет 166 А (1,2 × 166 = 200). Участок цепи питания от выхода VRM до выводов ЦП состоит из фольгированных токопроводящих дорожек длиной несколько сантиметров и точечных контактов сокета, которые не способны обеспечить такое сопротивление, при котором не происходило бы падение напряжения при прохождении тока максимальной нагрузки.

Даже при сопротивлении этого участка цепи в 1 мОм (миллиом) и токе 166 А, на нем произойдет падение напряжения величиной в 0,16 В (166 × 0,001 = 0,16), которое вычитается от стабилизированного значения на выходе VRM (см. рисунок ниже). Чем больше ток потребления, тем больше падение напряжения питания на самом процессоре. Этот эффект и называется просадкой.

Как работает функция Load-Line Calibration (LLC)

Для современного ЦП большие просадки напряжения могут оказаться критичными, его работа будет нестабильной. Самый простой вариант решения проблемы — частично компенсировать разницу путем поднятия значения напряжения в простое, но это приводит к увеличению температуры и ускоренной деградации чипа. А значит, преждевременному выходу из строя.

Именно поэтому производителями материнских плат была внедрена функция Load-Line Calibration. Она добавляет фиксированное значение к проседающему напряжению питания процессора в периоды нагрузки. Наиболее актуальной функция LLC становится при разгоне процессора, так как в этом случае ток потребления значительно увеличивается — просадка приобретает критическое значение.

Почему при неправильной установке LLC возможно повреждение процессора

LLC обладает одной неприятной особенностью. При изменении нагрузки на процессор, компенсация не происходит мгновенно — включение и отключение длится некоторый короткий промежуток времени, называемый переходным процессом. Давайте посмотрим, как это влияет на практике.

Исследование проводилось специалистами ElmorLabs с использованием следующей конфигурации комплектующих и измерительного оборудования:

материнская плата ASUS ROG Maximus XI;
процессор Intel Core i9-9900K @ 4,7 ГГц при 1,2 В;
осциллограф Siglent SDS1104X-E.

Из второй осциллограммы видно, что функция LLC выходит на полноценный режим работы не в момент увеличения нагрузки, а только по истечении времени переходного процесса, что приводит к кратковременной недокомпенсации. На графике это выглядит как провал питающего напряжения (до 1,12 В), который не представляет опасности для работоспособности процессора.

Гораздо страшнее смотрится переходный процесс при завершении работы LLC. По окончании нагрузки на процессор напряжение питания восстанавливается до первоначального значения. Но функция компенсации еще не успела закончить свою работу и продолжает увеличивать это значение. Происходит перекомпенсация напряжения, которая выглядит как скачок до 1,27 В. Превышение установленного напряжения составило целых 0,8 В! Подобный перепад амплитуды способен вывести ЦП из строя.

Угрожающий характер эта ситуация принимает при разгоне процессора. В этом случае изначально устанавливается повышенное напряжение питания, а к нему добавляется еще и перекомпенсированное значение. Далеко не каждый чип способен пережить подобную «шоковую терапию».

Вольтметром данный скачок выявить нельзя: он измеряет среднеквадратичное (усредненное) значение напряжения. По той же причине не получится это сделать с помощью различных программ.

Как правильно настроить LLC

По результатам исследования можно сделать вывод о том, что устанавливать максимальный режим компенсации не рекомендуется, а при разгоне процессоров так и вовсе категорически не стоит этого делать. При выборе оптимального режима нужно искать компромисс между приемлемой компенсацией просадки и безопасной эксплуатацией процессора. Попробуем выбрать допустимый уровень LLC для вышеприведенной тестовой конфигурации. Для этого сравним осциллограммы всех уровней — с первого по восьмой.

В данном конкретном случае рекомендуется выбирать режим с шестым, а при разгоне процессора — с пятым уровнем компенсации. Скачки напряжения еще не имеют большой величины и превышают исходное напряжение питания на 0,5 В и 0,4 В соответственно (против 0,8 В у восьмого уровня LLC). При этом режимы имеют приемлемую компенсацию просадки напряжения — 75 % и 50 %.

На других материнских платах, и даже на этой плате, но с другим процессором, работа LLC может существенно поменяться. Кроме того, настройки режима калибровки линии нагрузки у разных производителей отличаются. Например, ASRock использует всего пять уровней, тогда как у ASUS и MSI их восемь. А компания Gigabyte вместо цифровых обозначений применяет более емкие словесные: «turbo», «extreme» и «ultra extreme».

Но общая рекомендация остается прежней — старайтесь не устанавливать максимальный уровень Load-Line Calibration. Держитесь промежуточных значений, особенно при разгоне процессора.

Читайте также: