L6562+L6599實例分析計算LLC電源電路

引言

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，已研究出了不少高效率的電路拓?fù)洌饕獮橹C振型的軟開關(guān)拓?fù)浜蚉WM型的軟開關(guān)拓?fù)洹＝鼛啄陙恚S著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，寄生電容和反向恢復(fù)時間越來越小了，這為諧振變換器的發(fā)展提供了又一次機遇。對于諧振變換器來說，如果設(shè)計得當(dāng)，能實現(xiàn)軟開關(guān)變換，從而使得開關(guān)電源具有較高的效率。LLC諧振變換器實際上來源于不對稱半橋電路，后者用調(diào)寬型(PWM)控制，而LLC諧振是調(diào)頻型（PFM）。

一、LLC諧振變換器原理

圖一、LLC諧振原理圖

圖二、LLC諧振波形圖

圖一和圖二分別給出了LLC諧振變換器的電路圖和工作波形。圖一中包括兩個功率MOSFET（S1和S2），其占空比都為0.5；諧振電容Cs，副邊匝數(shù)相等的中心抽頭變壓器Tr，Tr的漏感Ls，激磁電感Lm，Lm在某個時間段也是一個諧振電感，因此，在LLC諧振變換器中的諧振元件主要由以上3個諧振元件構(gòu)成，即諧振電容Cs，電感Ls和激磁電感Lm；半橋全波整流二極管D1和D2，輸出電容Cf。LLC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理如下：

1）〔t1，t2〕當(dāng)t=t1時，S2關(guān)斷，諧振電流給S1的寄生電容放電，一直到S1上的電壓為零，然后S1的體內(nèi)二級管導(dǎo)通。此階段D1導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。

2）〔t2，t3〕當(dāng)t=t2時，S1在零電壓的條件下導(dǎo)通，變壓器原邊承受正向電壓；D1繼續(xù)導(dǎo)通，S2及D2截止。此時Cs和Ls參與諧振，而Lm不參與諧振。

3）〔t3，t4〕當(dāng)t=t3時，S1仍然導(dǎo)通，而D1與D2處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm>>Ls,因此，在這個階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。

4）〔t4，t5〕當(dāng)t=t4時，S1關(guān)斷，諧振電流給S2的寄生電容放電，一直到S2上的電壓為零，然后S2的體內(nèi)二級管導(dǎo)通。此階段D2導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。

5）〔t5，t6〕當(dāng)t=t5時，S2在零電壓的條件下導(dǎo)通，Tr原邊承受反向電壓；D2繼續(xù)導(dǎo)通，而S1和D1截止。此時僅Cs和Ls參與諧振，Lm上的電壓被輸出電壓箝位，而不參與諧振。

6）〔t6，t7〕當(dāng)t=t6時，S2仍然導(dǎo)通，而D1和D2處于關(guān)斷狀態(tài)，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm>>Ls，因此，在這個階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變。

通過上面的詳細(xì)分析，對LLC軟開關(guān)型變換器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面介紹如何設(shè)計諧振腔之元件，進(jìn)一步加深對它們的認(rèn)識。

二、LLC諧振腔之元件設(shè)計

諧振腔之元件包括功率開關(guān)管MOSFET，諧振電容器Cr，諧振電感Lr和隔離變壓器T1，一般情況諧振電感Lr是采用隔離變壓器T1的漏感。

說明:

Vin-nor, Vin-min, Vin-max ：輸入電壓額定值、最小值和最大值；

Vin-nor, Vin-min, Vin-max ：輸入電壓額定值、最小值和最大值；

Vo-nor, Vo-min, Vo-max ：輸出電壓額定值、最小值和最大值；

Io ：輸出電流額定值；在普通條件下設(shè)計者給定的開關(guān)頻率

fo：輸出電流額定值；在普通條件下設(shè)計者給定的開關(guān)頻率

fmin ：設(shè)計者給定的最小開關(guān)頻率

Vc-max ：振蕩電容Cs上最大允許電壓

n ：變壓器初級與次級的變比

Cs ：振蕩電容

Ls ：振蕩電感

Lm ：激磁電感

fmax ：最大開關(guān)頻率

Ip,RMS ：初級電流有效值

三、L6598\L6599芯片資料

1、L6599 芯片介紹

意法半導(dǎo)體(ST)日前推出一個專門為串聯(lián)諧振半橋拓?fù)湓O(shè)計的雙終接控制器芯片L6598，該芯片支持保護(hù)全面和高可靠性的電源設(shè)計，特別適用于液晶電視和等離子電視的電源、便攜電腦和游戲機的高端適配器、80+ initiative-兼容ATX電源和電信設(shè)備開關(guān)電源。

L6599在上一代產(chǎn)品L6598的基礎(chǔ)上新增多種功能，如直接連接功率因數(shù)校正器(PFC)的專用輸出、兩級過流保護(hù)(OCP)、自鎖禁止輸入、輕負(fù)載突發(fā)模式操作和一個上電/斷電順序或欠壓保護(hù)輸入。

新產(chǎn)品工作在50%互補性占空比下，插入一個固定的死區(qū)時間，以確保軟開關(guān)操作。
支持高頻開關(guān)(最高500kHz)，能效高，電磁干擾(EMI)輻射低。為了采用自舉方法驅(qū)動上橋臂開關(guān)，新產(chǎn)品整合了一個能夠承受600V以上電壓的高壓浮動結(jié)構(gòu)和一個同步驅(qū)動式高壓橫向雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)器件，節(jié)省了一個外部快速恢復(fù)自舉二極管。

L6599為兩個柵驅(qū)動器提供一個輸出電流0.6A和輸入電流1.2A的典型峰值電流處理能力，使設(shè)計人員能夠利用一個外部可編程振蕩器設(shè)定工作頻率。非線性軟啟動可防止涌流，最大限度抑制輸出電壓過沖。這個器件還有一個可控制的突發(fā)模式操作，能夠大幅度降低在輕負(fù)載和無負(fù)載條件下的平均開關(guān)頻率和相關(guān)損耗。

利用這個諧振控制器，設(shè)計人員甚至可以在功率校正系統(tǒng)內(nèi)滿足節(jié)能要求。在突發(fā)模式操作期間，一個專用輸出使IC能夠關(guān)斷功率因數(shù)校正器(PFC)的預(yù)穩(wěn)壓器，以降低這部分電路的無負(fù)載功耗。

L6599的其它重要特性包括低功耗(<30mW)、壓擺率最高50V/ns的無閂鎖操作保證和一個“不自鎖”禁用輸入，高性能過流保護(hù)(OCP)功能提供全面的過負(fù)載和短路保護(hù)。新增的一個自鎖禁用輸入讓過熱保護(hù)(OTP)和/或過壓保護(hù)(OVP)的實現(xiàn)變得容易。 L6599有三個產(chǎn)品型號：L6599N采用PDIP16封裝，L6599D和L6599DTR采用SO16N封裝。

2、芯片與典型方框圖

3、PIN腳功能

4、典型電源系統(tǒng)圖

分PFC、諧振半橋部分。

5、振蕩器

振蕩頻率由定時元件CF選擇值決定。Pin3連接一個精準(zhǔn)的2V基準(zhǔn)電壓輸出2mA或更大的電流源。以產(chǎn)生更高的頻率。

以上網(wǎng)絡(luò)，包函三部分：

A、最小振蕩頻率:一個電阻RFmin連接Pin4與地之間，確定電路最小工作頻率。

B、最大振蕩頻率: 一個電阻RFmax連接Pin4與光耦（C-E極）之間，光耦調(diào)整通過的電流，即調(diào)整振蕩頻率，達(dá)到輸出電壓的調(diào)整目的。在光耦完全飽和情況下，RFmax確定最大工作頻率。

C、軟啟動:一個RC串聯(lián)電路（Css+Rss），產(chǎn)生頻率移動，達(dá)到軟啟動功能。

工作頻率最大值fmax發(fā)生在最大輸入電壓最小輸出負(fù)載，fmin發(fā)生在最小輸入電壓最大輸出負(fù)載。RFmin、RFmax的選取，先要確定工作最大最小頻率。

振蕩器波形圖

HB為半橋中間點電壓，在低邊MOSFET關(guān)閉時，HB快速上升，并通過自舉電容到Pin16，以提供高邊MOSFET開啟的電壓。

6、工作在輕載或無載時

諧振半橋電路在工作于輕載時或所有負(fù)載變輕時，工作頻率會升為最大值。為使輸出電壓受控，需要持續(xù)一定的工作脈沖，盡量減小變壓器磁化電流，以減少待機功耗。

為克服此問題，L6599工作于間歇狀態(tài)（觸發(fā)模式）。輸出一串很少開關(guān)周期后長時間使MOSFET關(guān)閉狀態(tài)，這樣平均的工作頻率很低，平均功耗就小。

這個觸發(fā)模式利用了Pin5（STBY）：通過回饋回來的電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)（1.25V）比較，當(dāng)?shù)陀诨鶞?zhǔn)電壓時，進(jìn)行待機模式，要恢復(fù)正常模式，需要高于基準(zhǔn)50 mV。可以通過外接電阻、接插口來設(shè)定其進(jìn)行待機模式時的輸出電流值

四、L6599的工作流程

詳細(xì)了解L6599的各引腳功能及基本應(yīng)用后，下面以JSK-4168-081原理圖介紹L6599的工作流程。

1、L6599供電回路

5Vsb開關(guān)變壓器T2B繞組電壓經(jīng)D15整流，Q9、ZD5穩(wěn)壓后輸出Vcc1（14V左右），供給PFC芯片（FAN7530MX Pin8）工作電壓，并通過Q7、ZD9穩(wěn)壓后輸出Vcc2（12V左右）供給L6599 Pin12工作電壓。OCP、OVP、ON/OFF信號通過光耦I(lǐng)C5控制Q9的電壓是否輸出進(jìn)而控制PFC、LLC電路是否工作來實現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)、開關(guān)機功能。

2、L6599的啟動

軟啟動電路

Pin12加上Vcc電壓后，給Pin1(CSS)外接電容C13充電，此時C13可視為短路，R36與R32并聯(lián)，電阻減少，L6599的振蕩頻率升高，電源功率下降，當(dāng)C13充滿電時，此時C13可視為開路，振蕩頻率由R32決定，振蕩頻率降低，電源輸出正常，由此實現(xiàn)變頻軟啟動功能。同時，VDC通過R20、R21、R22串聯(lián)電阻及R30分壓輸入Pin7(Line)，R30上并聯(lián)的電容用來旁路噪聲干擾。Pin7(Line)電壓低于1.25V關(guān)閉IC，高于1.25V低于6V時，IC正常工作，通過對VDC的電壓檢測，實現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。

IC完成軟啟動后，內(nèi)部振蕩器開始振蕩，在Pin15(HVG)與Pin11(LVG)輸出如圖所示的兩個占空比接近50%的脈沖，驅(qū)動MOS管開始工作。

3、L6599穩(wěn)壓原理

次級電壓通過取樣電阻加在光耦（IC6）內(nèi)發(fā)光管上，并與ICS1的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，ICS1的穩(wěn)壓值由上偏電阻RS9（或RS8）和下偏電阻RS10決定，穩(wěn)壓值由此公式算得：

當(dāng)負(fù)載由滿載轉(zhuǎn)向空載時，引起輸出電壓上升，ICS1（TL431）R點的電壓將上升，而R點的電壓是穩(wěn)定在2.5V的，這將引起AK間流過的電流增大，光耦（IC6）內(nèi)發(fā)光管上通過的電流增大，光耦（IC6）內(nèi)光敏管上流過的電流也增大，光耦（IC6）內(nèi)光敏管相當(dāng)于一個可變電阻，與R34、R33串聯(lián)起來接到Pin4(RFMIN)，此時光耦（IC6）內(nèi)光敏管電阻變小，引起IC振蕩頻率升高，使輸出電壓下降，反之，當(dāng)負(fù)載由空載轉(zhuǎn)向滿載時，輸出電壓降低，反饋到Pin4(RFMIN)引起IC振蕩頻率降低，調(diào)節(jié)輸出電壓升高，實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

4、L6599的SCP保護(hù)及次級OCP保護(hù)

當(dāng)T1次級短路時，引起輸出電壓降低，這一電壓變化通過光耦I(lǐng)C6反饋到L6599的Pin4(RFMIN)，引起6599振蕩頻率降低，由于此時光耦（IC6）內(nèi)光敏管的電阻相當(dāng)于開路，振蕩頻率大大偏離LLC諧振電路的諧振點，C8上的振蕩電壓急劇增大，通過C9、R28、R29，D6、D7全波整流輸入到Pin6(Isen)，當(dāng)Isen>0.8V時，Pin2(Delay)對C14充電，C14也對R37放電， 同時IC內(nèi)部對Pin1(VSS)軟啟動電容放電，引起工作頻率上升（功率下降），Pin2(Delay)反饋電壓急速上升到3.5V，內(nèi)部關(guān)閉對電容充電同時芯片關(guān)閉振蕩，停止開關(guān)工作，延遲保護(hù)時間由Pin2(Delay)外接電阻R37（Rdelay）和外接電容C14 （Cdelay）決定。

C14通過R37放電到0.3V時，L6599會重新工作，由于Pin2(Delay) 不斷在3.5V和0.3V變化，IC在保護(hù)與正常工作間跳動，輸出也會一閃一閃的，即間隔保護(hù)模式（在次級OCP一直沒有啟動的情況下，才會出現(xiàn)這樣的情況，L6599的SCP保護(hù)是不鎖定的，只要其Pin2(Delay)放電到0.3V時又會重新工作）。

當(dāng)次級的過流延時電路在L6599第一次檢測到過流時，過流保護(hù)運放（ICS3）輸出對CS27和CS33充電，同時通過RS30和RS31分壓后給CS28充電，由于L6599第一次檢測到過流時，Pin2(Delay)設(shè)定的延時時間很短，電容CS27、CS33、CS28上沒有積累足夠的能量，QS4不能導(dǎo)通，過流保護(hù)電路沒有啟動。在L6599 Pin2(Delay)從3.5V通過R37放電到0.3V時，L6599重新工作，過流檢測電路再次對CS27、CS33、CS28充電，此時電容上已經(jīng)積累足夠能量，QS4導(dǎo)通，QS3也導(dǎo)通，將光耦（IC5）內(nèi)發(fā)光管拉到QS3的CE結(jié)壓降與QS4上BE結(jié)壓降之和（PNP管CE結(jié)壓降大約為0.3V，NPN管BE結(jié)壓降大約0.7V），使發(fā)光管無電流流過，光耦（IC5）光敏管電阻相當(dāng)于無窮大，Q9因無基極偏壓而無輸出，關(guān)閉L6599的VCC電壓，使主電路關(guān)閉，達(dá)到自鎖保護(hù)目的。

在測試時，有時會看到輸出一閃，然后再保護(hù)，因為次級的OCP電路要在L6599的SCP電路第二次動作后才實現(xiàn)保護(hù)，所以次級的OCP電路在保護(hù)時間上要滯后于L6599的SCP電路（大概相差40mS左右，由其外接的延時電阻電容來決定具體時間），精確的過流點將由次級的OCP電路來決定。

附1：

過流延時保護(hù)電路

一、問題的產(chǎn)生

過流保護(hù)是電源保護(hù)線路中最重要的電路，通常在每個產(chǎn)品中都存在。
它在整機發(fā)生過流故障時不僅可以及時保護(hù)電源板及主機板、功放板等，還可以防止故障進(jìn)一步擴大化。

但在目前的LCD-TV中。開機時，存在電流沖擊，電流較大，啟動已后，電流恢復(fù)正常。所在LCD-TV開機時，較大的沖擊電流會使過流保護(hù)電路誤動作，引起LCD-TV自動關(guān)機。

V1：12V 2.5A 為供TV主板、功放板；

V2：24V 7.5A 為供TV背光電源板；

V3：5VSB 1A 為供TV 控制MPU電源。

進(jìn)行加電，試驗各路沖擊電流：

加AC電源：輸入220V 50Hz，典型值如下

V1沖擊電流：10.0A 2mS

V2沖擊電流：8.5A 1mS

V3沖擊電流：1.25A 1mS

問題關(guān)鍵在于V1在加AC電源時沖擊最大達(dá)10.0A 2mS,比額定電流2.5A大了4倍。

二、現(xiàn)有方案

2．1、直接加大過流值，即OCP值

通過OCP保護(hù)電路參數(shù)的調(diào)整，將V1過流點調(diào)到10A以上。

理論上可行，但從電路的可靠性講，長期工作后，一旦發(fā)生線路過流，線路不能及時保護(hù)，使故障進(jìn)一步擴大，最終電源板、主板、背光板等均有可能損壞。

因此在《GB/T14714：1993微小型計算機系統(tǒng)設(shè)備用開關(guān)電源通用技術(shù)條件》規(guī)定電路OCP值不得超過輸出額定電流的200% 。

2．2、調(diào)整產(chǎn)品元件參數(shù)，加大電源板的輸出功率

是第一個方法的延伸，目的使供電電源板具有長期的最大穩(wěn)定輸出功率。

缺點是成本上升幅度大。

三、解決方案

利用延時電路將V1過流采樣的控制時間移至沖擊電流時間（如2mS）以后，避開啟動時沖擊電流引起電路的誤動作，而真正發(fā)生過流故障時，當(dāng)持續(xù)時間長過一定時間（如2mS），線路可以判定為線路過流故障，就可以啟動OCP采樣控制電路進(jìn)行電源OCP保護(hù)。這樣利用脈沖時間差進(jìn)行區(qū)別開機沖擊電流與故障過流，達(dá)到正確的控制能力。

詳圖如下：

1、電路結(jié)構(gòu)

以R2、R5為中心的電流取樣電路；以IC2為中心的比較放大電路；以Q1、Q2為中心的控制延時電路；以IC3為中心的控制電路。

2、工作原理

當(dāng)輸出電流增大，在R2、R5上的壓降增加，R2、R5上的增加量分別傳入IC1A、B運放中，與其反相端基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生輸出電流比較電壓。

當(dāng)輸出電流超過額定值時，IC2將輸出高電平，通過R11對C2充電，充到Q1開啟電壓Vgss時，Q1導(dǎo)通，引起Q2導(dǎo)通，IC2的輸出高電平通過Q2、R16加到Q4基極。

Q3、Q4組成的復(fù)合可控硅電路，當(dāng)Q4基極為高電平時，Q4導(dǎo)通，引起Q3導(dǎo)通，將IC3A的偏值電壓短路到地，IC3A發(fā)光二極管截止。

IC3B光敏三極管也將截止，一次電路中的Q5基極因失去偏值電壓而截止，將關(guān)斷至PWM控制IC Vcc端的電壓，使PWM IC停止工作，達(dá)到電路過流保護(hù)的作用。

3、實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如下圖：

附圖1：無延時電路時，當(dāng)電源輸出端進(jìn)行短路測試時，電路反應(yīng)時間為21.2mS；

附圖2：帶延時電路，當(dāng)電路發(fā)生過流時，C2兩端的電壓逐漸上升（CH1波形），當(dāng)上升到使Q1導(dǎo)通時，電路進(jìn)行保護(hù)動作，電路反應(yīng)時間為230mS。

可見，電路保護(hù)的延時時間由Ugss和R11、C2、以及IC2輸出的高電平來確定。

公式推導(dǎo)：

4、技術(shù)要點

通過調(diào)整R11、C2等的參數(shù)，合理的延遲OCP控制時間，避開沖擊電流，達(dá)到電流過流保護(hù)功能。

總結(jié)，本方案擁有低成本、高可靠性等優(yōu)點。是LCD-TV電源模塊中解決沖擊電流的首選方案，具有非常高的經(jīng)濟效益與可靠性價值。

5、備注

1、 OCP值：線路過流保護(hù)時的電流值，又稱過流點值。

2、一次電路：與電網(wǎng)直接相連的電路，稱一次電路。

附2：

下面附幾張實際電路圖

L6599AD-應(yīng)用電路實例

200W電源-L6563--L6599

6599原理圖

LED150W電源原理圖

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