Проектирование резонансных LLC-преобразователей и макетов печатных плат

Преобразователи постоянного тока сложно проектировать. Они даже могут создавать опасность, в особенности переключающие преобразователи с высоким выходным током. Резонансные LLC-преобразователи в основном применяются в числе других типов переключающих преобразователей и их топологий в компаниях, занимающихся силовой электроникой. Эти преобразователи играют ключевую роль в системах высокой мощности, таких как светодиодные банки, бытовые приборы, настольные и серверные источники питания и многие другие системы преобразования мощности.

Изучение алгоритмов контроля и методик формирования петли обратной связи поможет научиться эффективно проектировать резонансные LLC-преобразователи. Алгоритм контроля, используемый для комбинированного преобразователя, также можно применить, чтобы использовать источник питания со статизмом или сильной рябью, однако применяя этот тип изолированного переключающего преобразователя можно получить и более высокую выходную мощность. Создавая макеты печатных плат для этих систем, учитывайте ряд моментов, касающихся безопасности, управления теплом и шумоподавления.

Проектирование резонансного LLC-преобразователя

Резонансный LLC-преобразователь — это изолированный переключающий преобразователь. Он контролирует выходное напряжение, выбирая подходящую частоту для сигнала переключения. В этом состоит его отличие от стандартного переключающего преобразователя (с вольтвычитающей или вольтодобавочной топологией), в котором выход контролируется через рабочий цикл переключающего сигнала. Эти решения имеют широкий спектр областей применения в системах высокой мощности, в том числе с питанием от сети переменного тока.

На блок-схеме ниже показаны разные участки резонансного LLC-преобразователя. Как правило, входной каскад преобразователя состоит из выпрямителя, энергопреобразующего каскада (контура компенсатора коэффициента мощности (PFC)) и блока сглаживающих конденсаторов. Если питание поступает от сети переменного тока, здесь можно расположить фильтр электромагнитных помех. Обратите внимание на то, что каскад PFC не является обязательным для резонансного LLC-преобразователя. Однако он будет поддерживать высокую эффективность преобразования мощности, как и в любом другом переключающем стабилизаторе.

Переключение с полным мостом и с полумостом

Переключающий элемент в конструкции резонансного LLC-преобразователя имеет два возможных варианта конфигурации. В контуре переключения с полным мостом присутствуют 4 МОП-транзистора, в контуре переключения с полумостом — 2 МОП-транзистора. Эти элементы включаются и выключаются так же, как диоды в переключателе с мостовым выпрямителем между смещением в прямом и обратном направлении при подаче переменного тока. При этом полный мост обычно занимает больше места и создает больше шума. Я предпочитаю контур переключения с полумостом, поскольку конденсатор, необходимый для контроля частоты, можно разместить непосредственно в полумостовом контуре (C1 и C2).

Выпрямление выходного сигнала

Выпрямление на выходной стороне можно обеспечить несколькими способами. Цель здесь состоит в том, чтобы контролировать направление тока, и всегда получать на выходе постоянный ток. Конденсаторы на выходной стороне сглаживают рябь при переключении мостовой секции. В простых LLC-преобразователях выпрямление на выходе обеспечивают диоды, а в резонансных LLC преобразователях с более высоким током для выпрямления на выходе можно использовать МОП-транзисторы.

Контроль выходных параметров

Для настройки выходных параметров, так же, как и в контурах переменного тока, выбирается подходящий коэффициент трансформации. При этом напряжение, фиксируемое на первичной стороне трансформатора, контролируется через регулировку частоты управляющего сигнала, посылаемого в контур переключения. Этот управляющий сигнал представляет собой сигнал частотно-импульсной модуляции (PFM) с рабочим циклом ~50 %.

В LC-контуре объемного резонатора будет происходить определенное усиление, поскольку сопротивление в контуре будет складываться только из сопротивления МОП-транзисторов во включенном состоянии и сопротивления обмотки катушек трансформатора/индуктора. Типовые значения коэффициента усиления: от 1 до 1,5. По мере снижения выходной мощности управляющий сигнал должен регулировать частоту сигнала PFM и приближать систему к состоянию резонанса. Таким образом, выходную мощность можно повысить, используя достаточное усиление на первичной стороне трансформатора.

Этот тип контроля достаточно просто реализовать с помощью петли обратной связи, контура считывания тока или напряжения и микроконтроллера, как показано на Рис. 3. Также существуют интегрированные схемы управления питанием (PMIC), которые могут обеспечить эту функциональность считывания и импульсный сигнал, необходимый для управления контуром моста. Как правило, необходим оптический соединитель, чтобы считывать выходной сигнал и передавать его обратно на вход для регулировки частоты переключения. Это позволит передавать считанный выходной сигнал обратно на первичную сторону, одновременно с этим поддерживая изоляцию. Завершив проектирование контура и выбрав все необходимые компоненты, необходимо обдумать их перенос на макет печатной платы.

Размещение компонентов на макете печатной платы

Поскольку резонансные LLC-преобразователи как правило используются в системах с умеренно высоким напряжением, следуйте этим базовым рекомендациям:

• Выходной трансформатор: Применяйте лучший практический опыт размещения изолированных источников питания постоянного тока при выборе местоположения конечного трансформатора. Трансформатор будет изолировать сторону высокого напряжения от выхода. Здесь нужно соблюдать осторожность, поскольку оператор может подвергнуться воздействию высокого напряжения от петли обратной связи.
• Выпрямитель МОП-транзистора: В системах с высоким выходным током можно использовать МОП-транзисторы на выходной стороне для выпрямления высоких токов. Группу МОП-транзисторов даже можно использовать параллельно на выходной стороне, чтобы обеспечить сильный ток без риска поломки. 
• Зазоры: Если присутствует высокое напряжение, соблюдайте правила проектирования зазоров, заложенные в инструментах проектирования печатных плат. Требуется соблюдать стандарты безопасности на зазорах платы между проводниками с высокой разностью потенциалов.
• Изоляция: Как упоминалось выше, изоляция должна поддерживаться путем передачи считанного выходного сигнала на контакт обратной связи контроллера ИС с помощью оптического соединителя. Трансформатор также должен обеспечивать определенный уровень напряжения изоляции, вплоть до определенного предела частоты/напряжения, который может быть указан в промышленных стандартах (IEC или UL) или в нормативных документах.

Как и в большинстве систем высокой мощности, в макет скорее всего потребуется включить радиаторы и (или) вентиляторы, установленные на определенных компонентах. Например в качестве светодиодной платы, которая может работать при 500 Вт и выше, лучше всего использовать печатную плату с металлической сердцевиной, которая обеспечит естественное рассеивание тепла. Здесь также могут пригодиться тепловые сквозные отверстия на важнейших контактных площадках, сбрасывающие тепло на плоский слой.

Приступая к проектированию резонансного LLC-преобразователя, используйте редактор схем и инструменты проектирования печатных плат в Altium Designer®. Спроектировав схемы и макеты печатных плат, вы можете поделиться своими проектными данными на платформе Altium 365™  для удобства взаимодействия с командой разработчиков и управления проектными данными.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Вы можете зайти на страницу продукта, чтобы посмотреть более подробное описание функций, или посетить один из Вебинаров по запросу.