Lựa chọn Cuộn cảm và Biến áp trong Thiết kế Bộ chuyển đổi LLC

Created: Tháng Năm 20, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Cuộn cảm này là một trong nhiều linh kiện bạn sẽ cần trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC của mình

Tất cả các thiết bị điện tử đều cần nguồn cung cấp điện và điều chỉnh nguồn, dù chúng là hệ thống công nghiệp lớn hay thiết bị đeo nhỏ. Nếu bạn đang thiết kế đơn vị quản lý nguồn điện tử, bộ chuyển đổi nguồn cho thiết bị gia dụng, hoặc hệ thống nguồn công nghiệp, thì bạn có khả năng sẽ sử dụng thiết kế bộ chuyển đổi LLC cho chuyển đổi và điều chỉnh DC-DC. Topology này cung cấp hiệu suất chuyển đổi nguồn cao với một kế hoạch điều chỉnh đơn giản, nhưng tất cả phụ thuộc vào việc chọn đúng linh kiện.

Hai linh kiện chính quan trọng trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC là cuộn cảm và biến áp. Hai linh kiện này điều khiển việc chuyển đổi nguồn và cùng nhau xác định hành vi cộng hưởng ở phía bên kia của giai đoạn chuyển đổi. Khi được thiết kế cùng với mạch PFC và vòng điều khiển, bạn sẽ có một bộ chuyển đổi nguồn hiệu suất cao cho một loạt ứng dụng.

Linh kiện cho Thiết kế Bộ Chuyển Đổi LLC

Một bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC là một bộ chuyển đổi DC-DC chuyển mạch nơi mà điện áp đầu ra được điều khiển bằng cách điều chỉnh tần số lái của một mạch cầu nửa hoặc toàn phần với power MOSFETs. Dòng điện đầu ra từ mạch cầu chảy vào một bình cộng hưởng LC nối tiếp với một biến áp. Sau đó, biến áp tăng hoặc giảm điện áp xung vào phía bên kia.

Phía bên kia của bộ chuyển đổi chứa một mạch chỉnh lưu cầu (được xây dựng từ diode hoặc MOSFETs), chuyển đổi điện áp/ dòng điện đầu ra thành một mức DC ổn định. Một bộ tụ điện ổn định thêm điện áp đầu ra và giảm biên độ gợn thành một giá trị DC ít nhiễu. Những bộ chuyển đổi này có một topology phức tạp, nhưng phương pháp điều khiển khá đơn giản và các khối chức năng cần thiết trong bộ chuyển đổi có thể được xây dựng từ một loạt linh kiện có sẵn trên thị trường. Topology cơ bản của thiết kế bộ chuyển đổi LLC được hiển thị dưới đây.

Topology của thiết kế bộ chuyển đổi LLC nửa cầu.

Khác với các bộ chuyển đổi chuyển mạch khác, yêu cầu thay đổi chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM để điều khiển điện áp đầu ra, một bộ chuyển đổi LLC yêu cầu thay đổi tần số (modulation tần số xung, hoặc PFM) để thiết lập điện áp đầu ra với giá trị cần thiết. Transistor Q1 và Q2 trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC nửa cầu ở trên được chuyển mạch 180 độ không đồng pha. Khi transistor phía trên được bật, dòng điện chảy vào tụ Cr và sạc nó. Một khi Q1 tắt và Q2 bật, Cr xả. Cả hai chu kỳ đều gây ra dòng điện ở phía bên kia, sau đó được chỉnh lưu thành điện áp DC. Một bộ tụ điện ở phía đầu ra sau đó làm mịn điện áp đầu ra thành một giá trị ổn định.

Bằng cách khai thác lợi ích trong phần mạch cộng hưởng (mạch LLC trong sơ đồ trên), điện áp ở phía bên kia có thể được điều chỉnh và duy trì ở giá trị mong muốn. Điện áp đo được qua vòng phản hồi được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu PFM từ mạch điều khiển cổng, khai thác lợi ích nhiều hoặc ít hơn trong mạng LLC phía bên kia. Đây là nơi mà biến áp và cuộn cảm trở nên quan trọng và cần được chọn lựa để cung cấp phạm vi lợi ích phù hợp.

Tiêu chí Lựa chọn Cuộn cảm và Biến áp

Cuộn cảm và biến áp cần đáp ứng các tiêu chí cụ thể để hoạt động đúng cách trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC:

Giá trị độ tự cảm của cuộn: Giá trị độ tự cảm của hai cuộn trong giai đoạn bộ chuyển đổi LLC phụ thuộc vào giá trị của tụ điện Cr. Một giá trị tụ điện điển hình là Cr ~ 100 nF đến 1 uF, vì vậy cuộn cảm phía bên kia (Lr) sẽ là ~0.1 mH cho hoạt động gần 100 kHz (tần số điều khiển cổng điển hình). Độ tự cảm của cuộn phía bên kia của biến áp (Lm) thường khoảng 5-10% giá trị của Lr.
Điện trở cuộn và xếp hạng dòng điện: Điện trở của dây dẫn ảnh hưởng đến xếp hạng dòng điện trong biến áp/cuộn cảm. Lý tưởng, điện trở cuộn nên thấp nhất có thể để giảm sinh nhiệt.
Điện dung quấn. Điện dung này sẽ xác định khả năng chịu nhiễu, điều này trở nên quan trọng nếu bộ chuyển đổi cung cấp điện cho các khối mạch số tốc độ cao khác. Cuộn cảm và biến áp có kích thước nhỏ hơn sẽ có điện dung quấn lớn hơn.
Cuộn phụ bên phía bên kia hoặc bên thứ cấp: Biến áp có thể có nhiều cuộn ở phía bên kia để giảm điện áp xuống ~5 V hoặc ~3.3 V để cung cấp điện cho các phụ kiện trong vòng phản hồi và các thành phần khác trong hệ thống.
Kích thước: Một bộ chuyển đổi LLC được thiết kế cho hoạt động công suất cao sẽ có các thành phần cồng kềnh. Kích thước có thể là ~5-10 cm trong các bộ chuyển đổi ~1 kW.

Một ví dụ về cuộn cảm thường gặp trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC công suất cao là dòng cuộn cảm 2300HT của Bourns. Những cuộn cảm này có kích thước nhỏ gọn (đến 1.28 inch đường kính) và có thể chịu dòng điện từ 2.9 đến 38.7 A. Chúng được thiết kế đặc biệt để chịu được nhiệt độ cao có thể phát sinh trong các bộ chuyển đổi công suất cao trong môi trường khắc nghiệt, với nhiệt độ hoạt động được xếp hạng từ -55 đến +200 °C. Chúng cũng có sẵn trong kiểu lắp đặt dọc hoặc ngang, cung cấp cho các nhà thiết kế một lựa chọn hồ sơ thấp nếu cần.

Ảnh và bản vẽ kỹ thuật của dòng cuộn cảm 2300HT. Từ bảng dữ liệu 2300HT.

Dòng biến áp xung của Würth Elektronik là một lựa chọn cho việc sử dụng trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC công suất cao. Những biến áp này cung cấp độ tự cảm thấp và xếp hạng dòng điện cao cần thiết trong hệ thống công suất vừa phải. Chúng cũng có một loạt các cực để chọn giá trị điện áp/dòng điện đầu ra trong một gói cực kỳ nhỏ gọn.

Ví dụ về dữ liệu kích thước cho bộ biến áp xung 750311591 từ Würth Elektronik. Từ tờ dữ liệu 750311591.

Các thành phần khác cho Thiết kế Bộ Chuyển Đổi Cộng Hưởng LLC

Bằng cách kết hợp độ tự cảm của cuộn biến áp và giá trị cuộn cảm chính, bạn có thể chọn phạm vi tần số có thể sử dụng trong thiết kế bộ chuyển đổi LLC của mình. Một số thành phần khác sẽ cần xuất hiện trong vòng lặp phản hồi ở giai đoạn cộng hưởng LLC được hiển thị ở trên, cũng như trong vòng lặp phản hồi và điều khiển được sử dụng trong mạch PFC của bạn. Một số thành phần này bao gồm:

Dù bạn đang làm việc trên thiết kế bộ chuyển đổi LLC hay một topologi bộ chuyển đổi công suất khác, bạn có thể tìm thấy các bộ phận bạn cần nhờ vào các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu của nhà phân phối và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp quản lý công suất của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.