Conception de convertisseur résonnant LLC et layout de PCB

Les convertisseurs CC-CC peuvent être difficiles à concevoir et peuvent même être dangereux, en particulier lorsqu'on envisage une commutation avec une sortie à haute intensité. Parmi les différents types de convertisseurs à découpage et leurs topologies, les conceptions de convertisseurs résonnants LLC ne sont pas souvent abordées, jusqu'à ce que vous consultiez les notes d'application des importantes sociétés d'électronique. Ces convertisseurs sont des éléments clés des systèmes haute alimentation tels que les banques de LED, les appareils électroménagers, les alimentations d'ordinateurs de bureau et de serveurs, et de nombreux autres systèmes de conversion d'énergie.

Une fois que vous avez examiné les algorithmes et les méthodes de contrôle de mise en œuvre d'une boucle de rétroaction, la conception de convertisseur résonant LLC commence à montrer sa valeur. Vous pourriez mettre en œuvre le même type d'algorithme de contrôle que celui utilisé pour un convertisseur buck-boost afin de vous adapter à une alimentation avec du statisme ou une ondulation excessive, mais vous pouvez atteindre des puissances de sortie plus élevées avec ce type de convertisseur à commutation isolé. Lorsque vous êtes prêt à créer votre schéma de montage pour ces systèmes, certains points doivent être pris en compte pour la sécurité, la gestion de la chaleur et la suppression du bruit.

Conception de convertisseur résonnant LLC

Un convertisseur résonant LLC est un convertisseur de commutation isolé qui contrôle la tension de sortie en sélectionnant la fréquence appropriée pour un signal de commutation. Comparez cela à un convertisseur de commutation standard (par exemple, topologie buck ou boost), où la sortie est contrôlée par le rapport cyclique d'un signal de commutation. Ces systèmes bénéficient de nombreuses applications de haute puissance, y compris dans les systèmes avec entrée secteur CA.

Le schéma fonctionnel ci-dessous montre les différentes parties d'un convertisseur à résonance LLC. L'étage d'entrée du convertisseur comprend généralement un redresseur, une phase de conditionnement de puissance (circuit PFC) et une banque de condensateurs de lissage. Un filtre EMI peut être placé ici s'il s'agit d'un réseau CA. Notez que l'étape PFC n'est pas strictement requise pour la conception d'un convertisseur à résonance LLC, mais qu'elle permet de maintenir une efficacité de conversion de puissance élevée, comme dans tout autre régulateur à découpage.

Commutation en pont complet ou en demi-pont

L'élément de commutation dans un convertisseur résonant LLC est fourni dans deux configurations possibles. Dans un circuit de commutation à pont complet, nous avons 4 MOSFET, tandis qu'un circuit de commutation à demi-pont a 2 MOSFET. Ces éléments s'allument et s'éteignent de la même manière que les diodes dans un commutateur de redresseur à pont basculent entre polarisation directe et polarisation inverse lorsqu'elles sont alimentées en courant alternatif. Ici, le pont complet prend généralement plus d'espace et générera plus de bruit. Je préfère un circuit de commutation à demi-pont car le condensateur requis pour le contrôle de fréquence peut être placé directement dans le circuit à demi-pont (C1 et C2).

Rectification de sortie

La rectification côté sortie peut être appliquée de plusieurs manières. L'objectif ici est de contrôler la direction du courant afin que la sortie soit toujours en CC. Les condensateurs côté sortie lisseront toute ondulation lors de la commutation de la section à pont. Dans les convertisseurs LLC plus simples, le redressement de la sortie est assuré par des diodes, tandis qu'une conception de convertisseur résonant LLC à courant plus élevé peut utiliser des MOSFET pour assurer le redressement côté sortie.

Contrôle de la sortie

La sortie est définie en sélectionnant le rapport de tours approprié sur le transformateur, comme vous le feriez avec un circuit en CA. Cependant, l'amplitude de la tension observée sur le côté primaire du transformateur est contrôlée en ajustant la fréquence d'un signal de conduite envoyé au circuit de commutation. Ce signal de commande est un signal de modulation de fréquence d'impulsion (PFM) avec un cycle de service d'environ 50
%.

Le circuit résonant LC aura un certain gain, car la seule résistance dans le circuit est la résistance à l'état passant des MOSFET et la résistance à l'enroulement des bobines du transformateur/inducteur. Les valeurs de gain typiques vont de 1 à 1,5. À mesure que la puissance de sortie chute, le driver doit régler la fréquence du signal PFM et rapprocher le système de la résonance. De cette façon, la puissance de sortie peut être augmentée en exploitant juste assez de gain sur le côté primaire du transformateur.

Ce type de méthode de contrôle est assez simple à mettre en œuvre avec une boucle de rétroaction, un circuit de détection de courant ou de tension, et un MCU, comme illustré à la Figure 3. Il existe également des PMIC intégrés qui peuvent assurer cette fonctionnalité de détection et fournir le signal d'impulsion nécessaire pour conduire le circuit à pont. En général, un optocoupleur est nécessaire pour détecter la sortie et la renvoyer à l'entrée pour ajuster la fréquence de commutation, ce qui permet de ramener une sortie détectée vers le côté primaire tout en maintenant l'isolation. Une fois que vous avez terminé la conception de votre système de circuit et que vous avez sélectionné tous les composants requis, vous devez réfléchir à la manière de l'intégrer à votre schéma de montage.

Placement des composants dans votre schéma de montage

Comme les conceptions de convertisseurs résonants LLC sont normalement utilisées dans les systèmes à tension modérément élevée, il existe quelques conseils de conception de base à suivre :

• Transformateur de sortie : suivez les bonnes pratiques relatives aux alimentations CC isolées lors de la mise en place du transformateur final. Le transformateur isole le côté haute tension de la sortie, mais soyez prudent avec cela car un opérateur pourrait toujours être exposé à une haute tension provenant de la boucle de rétroaction.
• Redresseur MOSFET: Pour les systèmes de sortie à courant élevé, vous pouvez finir par utiliser des MOSFET côté sortie pour assurer le redressement des courants élevés. Un groupe de MOSFET peut même être utilisé en parallèle du côté de la sortie afin de fournir un courant important sans risque de panne. 
• Espacements: Si vous travaillez à haute tension, profitez des règles de conception des espacements dans vos outils de conception de PCB. Vous devez vous assurer que votre carte n'enfreint pas les normes de sécurité relatives aux espacements entre les conducteurs présentant une différence de potentiel élevée entre eux.
• Isolation : Comme nous l'avons mentionné plus haut, l'isolation doit être maintenue en renvoyant la sortie détectée vers la broche de rétroaction d'un circuit intégré de commande à l'aide d'un optocoupleur. Le transformateur devra également fournir un certain niveau de tension isolante jusqu'à une certaine fréquence/limite de tension, qui peut être spécifiée dans les normes industrielles (CEI ou UL) ou dans les réglementations.

Comme c'est le cas dans la plupart des systèmes haute puissance, le layout nécessitera probablement des dissipateurs thermiques, des ventilateurs ou les deux, montés sur des composants particuliers. Pour quelque chose comme une carte à LED, pouvant fonctionner à 500 W ou plus, le mieux est d'utiliser un circuit imprimé à noyau métallique car celui-ci dissipe naturellement la chaleur. Les vias thermiques sur les pads critiques peuvent également aider ici en déversant la chaleur dans une couche plane.

Lorsque vous serez prêt à créer votre prochaine conception de convertisseur résonant LLC, utilisez l'éditeur de schémas et les outils de layout de PCB dans Altium Designer®. Une fois que vous avez créé vos schémas et le layout de votre PCB, vous pouvez partager vos données de conception sur la plateforme Altium 365™, ce qui vous permet de travailler facilement avec votre équipe de conception et de gérer vos données de conception.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page produit pour obtenir une description plus détaillée des fonctionnalités ou visionner l'un des webinaires à la demande.