SRC/LLC+SR之設計

本章節會對SRC與SLS的設計做一詳細的說明，會針對設計的程序與觀念及方法做簡單的說明，同時以虹冠電子的控制IC為基礎做設計說明，當然讀者會有疑問為何不以外商的控制IC做設計說明，那是因為外商所推廣的控制IC都是以LLC架構為主，如果要做高效率與大功率或是加入同步整流的功能會增加設計上的困難，本章之目的是希望讀者有意從事諧振式開關電源產品的設計，能夠越簡單越容易學習的觀念，來幫助讀者.

虹冠電子所推出的CM690X系列IC分兩種，CM6900(SRC+SR)主要是操作SRC諧振點之右半邊，針對HOLDUP TIME不是要求很高的應用，如LCD TV，LED Lighting，航模充電器，200W以下之電源適配器等等，具有設計驗證簡單之優點。CM6901主要是可以操作SLS(LLC+SRC+SR) 在LLC與SRC之兩種區間，適用于對HOLDUP TIME有極高要求之產品，如PC POWER / SERVER POWER / INDUSTRIL POWER.

在此討論SRC串聯諧振轉換器的設計考慮與實例計算，會分成以下幾個方面來看：設計步驟、制定規格、功率組件的選擇、諧振組件設計、變壓器的設計考慮以及輸出整流濾波電路設計等方面。 (1)12V/15A之單組輸出SRC，ADAPTER/ LIGHTING

(2)12V/83A之單組輸出SLS，SEVER POWER

作為設計實例以CM6900與CM6901來設計ADAPTER LED LIGHTING與SEVER POWER

SRC V.S LLC

　　在開始說明設計之前,由于LLC在業界已應用在LCD TV數年,對于最傳統的SRC大部份的有諧振架構設計經驗之工程師反而不了解,在此會先比較兩者在設計上之差異,以理清SRC之設計觀念.

用于直流輸出之諧振式轉換器主要以串聯共振(Series resonant)為主架構，主要分成兩種負載曲線的操作區域，SRC操作在共振點之上(操作在電感性負載區),LLC操作在諧振點之下與第二諧振點之間(操作在電容性負載區間)，以圖4-30 SRC, 圖4-31 LLC為負載曲線圖來做說明。

圖4-30 SRC負載曲線圖

從圖4-30的SRC負載曲線圖可以說明一個重點，諧振式轉換器的操作區域頻率由Fmin~Fmax，也就是說切換頻率Fsw操作在諧振點以上Fsw>=Fr。整個SRC之操作區間,因為在電感性負載區所以基本上只要有足夠的負載電流加上激磁電流變可以作到零電壓切換.也因為只有單一諧振點,所以不需要控制激磁電感量,設計上便簡化許多參數之要求. 可以用一句話來說明SRC是串聯諧振串聯負載之形式,所以只要單一諧振點便可以設計出一諧振式轉換器.

圖4-31 LLC負載曲線圖

從圖4-31的LLC負載曲線圖可以說明一個重點，諧振式轉換器在正常負載下其操作區域頻率由Fmin~Fmax也就是說操作在第二諧振點以上在Fsw>=Fr2~Fr1之間，在輕載時,頻率會 Fsw>Fr1,許多工程師都知道要將激磁電感變小,就可以設計LLC,但是都不是真正的了解為何會如此,其原因就是要用激磁電感與負載并聯產生另一等效電感量Leq,此電感再與諧振電感(Lr)相加形成第二諧振點,因為是并聯的效應,所以當設計功率越大時,激磁電感就要越小,才能并聯產生另一等效電感量Leq,才有第二諧振點,如果激磁電感太大,可以由圖4-31看到負載越重時, 第二諧振點會越靠近第一諧振點,所以因此有兩個諧振點才能有電壓增益,所以就能穩壓, 可以用一句話來說明LLC是串聯諧振并聯負載之形式,所以一定要產生兩個諧振點共四個參數,如此才能設計出一諧振式轉換器.所以比較SRC與LLC在設計上的優缺點，LLC 遠比SRC復雜難設計，如果不做負載曲線仿真的話是很難設計，所以SRC的單共振點在設計上就簡單許多，如果不做仿真負載曲線仿真也不容易有設計上的問題。

所以就串聯共振式轉換器而言，就是分兩種操作區域，SRC就是切換頻率操作在諧振頻率之上，LLC就是切換頻率操作在兩個共振點之間，所以LLC設計相對比較難。

在設計SRC+SR之諧振式轉換器時,主要是考慮設計簡單,效率高,可以直接利用CM6900來做同步整流,簡化電路, 如果設計為SLS(SRC+LLC+SR) 之諧振式轉換器時,主要是考慮HOLD-UP設計較難,會將負載曲線圖用到LLC的區域,效率高,也可以直接利用CM6901來做同步整流,簡化電路,一般而言300W以下之設計都可以達成效率95%以上,加上PFC的效率,全機可達90%@115VAC輸入的條件.

使用CM6900來設計SRC(SRC+SR)諧振式轉換器在設計SRC+SR之諧振式轉換器時,會先以模擬的方式來仿真SRC之負載曲線圖,如圖4-18可以看到SRC負載曲線圖,以此負載曲線圖做為功率級之設計參考, 此負載曲線圖可以利用虹冠電子所提供的MATHCAD之檔案來執行模擬,產生此圖

圖4-32 SRC負載曲線圖

圖4-32的負載曲線圖是利用mathcad依據輸出輸入的規格

ADAPTER/ LIGHTING電路參數設計

整體設計在設計時的流程如下:

一、設計流程與參數設定

a. 輸入規格(330Vdc~395Vdc)

b. 輸出規格(12V/13A)

c. 決定共振頻率(Fr:一般取50Khz)

d. 決定控制IC(CM6900G)最低工作頻率(Fmin與Fr相同)/最高工作頻率(Fmax一般取200Khz)

e. 決定共振頻率下的Q值:(一般取0.3~0.5)

f. 架構選擇(500W以下用半橋CLASS D，500W以上可用標準半橋或全橋)

二、計算范例(12V/13A 156W)

在此以156W 12V/13A作為范例，說明SRC共振式轉換器之設計與計算，圖4-33為SRC半橋電路，圖4-34為CM6900G之電路與使用組件值,在此會利用MATHCAD之數學軟件工具來協助設計說明,相關的設計公式皆有說明,希望對有興趣之工程師能有深入的了解,相關設計工具之設計檔案(SRC CM6900)可與虹冠電子之代理商連絡取得.