反激功率不足？大容量電池充電器的 LLC-SRC 增益曲線設計

越來越多的家用電器正逐漸用可充電電池取代傳統的交流電源插頭。例如，消費者使用吸塵器時，無需再被限制在墻壁插座旁，反而能更靈活地移動，不必費心整理笨重的電源線。

然而，每一塊為電器供電的電池都需要一個電源來為其充電。隨著可充電電池在電器中的廣泛應用，消費者對電池續航能力的要求也不斷提高，希望充電間隔更長。一個簡單的解決方案是使用容量更大的電池組；但更大的電池組所需的充電功率，遠非反激式轉換器在合理時間內所能滿足。而電感器-電感器-電容器串聯諧振轉換器 (LLC-SRC) 則提供了一種更高功率的替代方案，其通用性足以滿足可移動家用設備的需求。

傳統上，LLC-SRC 的設計旨在接近諧振頻率的工況下運行，以在輸入電壓范圍較窄且輸出電壓固定的應用中實現效率最大化，這一點在技術文章《設計 LLC 諧振半橋電源轉換器》中已有探討。即便如此，仍可通過精心調整諧振回路的設計，使轉換器在電池充電周期內電壓不斷變化的過程中始終保持高效運行。如果通過功率因數校正 (PFC) 電路供電且輸入電壓范圍較窄，圖 1 中所示的 LLC-SRC 可成為電池充電器的理想拓撲結構選擇。

圖 1 以 Lr、Lm 和 Cr 作為諧振元件的半橋 LLC-SRC，搭配 PFC 前端電路后，即可用作電池充電器。

電池充電器主要有兩種工作模式：恒流模式和恒壓模式。當電池電壓較低時，充電器向電池輸出恒定電流。隨著電池組充電，電池組電壓逐漸升高。一旦電壓達到設定值，充電器的控制環路便切換至恒壓模式；進入恒壓模式后，充電器會維持電池的最大額定電壓，同時充電電流逐漸減小，直至趨近于零。

該模式能確保電池在充電終止前充分充至滿容量。圖 2 展示了單節鋰離子電池隨時間變化的充電曲線示例。在更復雜的充電系統中，還會包含額外功能，例如針對深度放電電池的涓流充電設置，或是可編程調節的充電電流與最大電壓參數。但總體而言，向電池供電的過程可簡化為恒壓或恒流兩種核心模式。

圖 2 單節鋰離子電池的充電周期通常可將電池電壓充至 3.5–4.4V。如果需獲得更高的電池組電壓，可將多節電池串聯使用。

LLC-SRC 轉換器工作的核心在于其增益曲線的形態。半橋 FET 以固定的 50% 占空比進行開關，通過調節開關頻率來維持輸出電壓的穩定。電壓水平與增益曲線的交點（即工作點）決定了輸出電壓對應的頻率。理想情況下，工作點處于增益曲線的電感區域內。以下公式用于計算輸入至輸出的電壓增益：

這表明，諧振元件（Lm、Lr 和 Cr）以及輸出電阻 (Re) 共同決定了增益曲線的形態。在電池充電器設計中，負載電阻器的影響至關重要，因為在整個工作過程中，輸出電流和電壓規格會不斷變化。

因此，在確定諧振元件的參數值時，必須充分考慮轉換器在所有工作點下的性能表現。在充電周期的恒流階段，工作點會沿著增益曲線向左上方移動。然而，在工作點移動的同時，負載電阻也會發生變化，進而導致增益曲線向上移動。

圖 3 為電池充電器的增益曲線示例。為體現負載電阻器的變化差異，該圖分別呈現了電池低電量狀態（紅色曲線）和接近滿電狀態（綠色曲線）下的兩條增益曲線。紅色虛線則表明，功率 PFC 輸出電壓的波動 (±5%) 會如何改變 LLC 轉換器的工作點。不過，在電池滿電狀態下，這種波動的影響并不明顯，因為此時工作點處于增益曲線中位置更高的區域。

圖 3 用于電池充電器的 LLC-SRC 諧振回路，其輸出電壓-開關頻率增益曲線反映了工作點的變化規律。

30V 和 60V 輸出對應的水平標記線，與該充電器所適配的電池化學特性相關。在電池充電過程中，工作點會從紅色曲線與 30V 線的交點，逐漸移動到綠色曲線與 60V 線的交點。

在設計增益曲線時，需要考慮多個關鍵特性。首先，增益曲線必須具備足夠的“高度”，以滿足電池組所需的輸出電壓范圍。其次，工作頻率范圍應盡可能窄，以便設計的轉換器在充電周期的所有工作點上都具備良好性能——更窄的開關頻率范圍有助于優化變壓器的 AC 損耗。

此外，更窄的工作頻率范圍還能減小勵磁電感電流 (ILm) 的波動。對于 LLC-SRC 而言，ILm 過大會增加導通損耗，而 ILm 過低則可能導致 LLC-SRC 失去零電壓開關，因此在設計過程中必須進行權衡。在電池充電器應用場景中，當電池電量處于最低水平、轉換器以較高頻率運行時，ILm 會更低。

匝數比的選擇會顯著影響轉換器可實現的工作電壓范圍。設計初期，可優先選擇針對電池組最低電壓優化的匝數比（該參數可在后續設計迭代中調整）。串聯諧振元件的選擇，將決定轉換器的常規工作頻率及其增益曲線的斜率：Lr 與 Cr 的取值會決定諧振頻率（實際開關頻率將低于諧振頻率），而減小 Lm 與 Lr 的比值會使增益曲線“變高”，增益曲線越高，頻率偏差越小。

諧振元件的選取是一個需要反復調整的過程，耗時較長，但一個設計優良的諧振回路能為電池充電器應用提供高效解決方案。圖 4 顯示了采用 LLC-SRC 拓撲的電池充電器效率曲線。需注意的是，該曲線顯示的是包含 PFC 前端損耗在內的整體端到端效率。曲線的 X 軸代表轉換器的總輸出功率。在充電周期內，隨著輸出電壓和電流的變化，總輸出功率會先隨電池電壓升高而增加，隨后隨充電電流減小而降低。

圖 4 效率數據曲線同時體現了 PFC 至 LLC-SRC 電池充電器設計中的兩種工作模式。

綜上，LLC-SRC 是一種能夠實現高效率、且功率等級高于傳統反激式轉換器電池充電器的拓撲結構，設計人員可以借助其打造出緊湊高效的電源，同時不犧牲整體充電性能。盡管需要對轉換器的增益曲線進行定制化設計以適配電池充電應用，但優化諧振回路所需的設計時間，與最終獲得的優勢相比是值得的。