Hi，大家好，上次我们有介绍在 AC/DC 电源上 PFC 部分的工作原理和常见拓扑介绍，详情请看【Industrial Power】PFC 及其常见的拓扑介绍 - 大大通(简体站) (wpgdadatong.com.cn)，这里就不在赘述『而随着不断增加的开关电源功率密度，已经受到了无源器件尺寸的限制。采用高频运行，可以大大降低无源器件（如变压器和滤波器）的尺寸。但过高的开关损耗势必成为高频运行的一大障碍。谐振变换器由于能实现软开关，有效地减小开关损耗和容许高频运行，所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。』（作者：iFTrue 未来以来，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
『而LLC 属于庞大的谐振变换器拓扑家族系列，而谐振腔是该拓扑系列的基础特征。谐振腔是一组以特定频率（称为谐振频率）振荡的电感器和电容器组成的电路。』（作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）
『与传统 PWM（脉宽调节）变换器不同，LLC 是一种通过控制开关频率（频率调节）来实现输出电压恒定的谐振电路。它的优点是：实现原边两个主 MOS 开关的零电压开通 (ZVS) 和副边整流二极管的零电流关断 (ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。』（作者：学海无涯，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/483014729），那这次给大家介绍 LLC 部分的工作原理和常见拓扑。
一、LLC 工作原理
『LLC 变换器由 4 个模块组成：电源开关、谐振腔、变压器和二极管整流器。MOSFET 功率开关首先将输入的直流电压转换为高频方波；随后方波进入谐振腔，由谐振腔消除方波的谐波并输出基频的正弦波；正弦波再通过高频变压器传输到变换器的副边，并根据应用需求对电压进行升压或降压；最后，二极管整流器将正弦波转换为稳定的直流输出。
（图片作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）
二、LLC 谐振腔
首先我们从简单的谐振电路来看，先从电感和电容的基本电路的特性逐步了解谐振电路的特性。
谐振腔由谐振电容器 (CR) 和两个电感器组成：谐振电感器 (LR) 与电容器和变压器串联，励磁电感器 (LM) 则与之并联。谐振腔的作用是滤除方波的谐波，将基频开关频率的正弦波输出到变压器的输入端。
（图片作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）』
『与电阻不同，电感和电容都不是纯阻性线性器件，电感的感抗 XL 和电容的容抗 Xc 都与频率有关，当加在电感和电容上的频率发生变化时，它们的感抗 XL 和容抗 Xc 会发生变化。过调节输入电压源的频率，可以使电感和电容的相位相同，整个电路呈现为纯电阻性，谐振时，电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上，同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。
如下图 RL 电路，当输入源 Vin 的频率增加时，电感的感抗增大，输出电压减小，增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而减小。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
如下图 RC 电路，相反，当输入源 Vin 的频率增加时，电容的容抗减小，输出电压增大，增益 Gain=Vo/Vin 随频率增加而增加。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
如下图 LC 谐振电路，我们将 L 和 C 都引入电路中，可以发现，当输入电压源的频率从 0 开始向某一频率 f0 增加时，LC 电路呈容性（容抗＞感抗），增益随频率增加而增加，当从这一频率再向右边增加时，LC 电路呈感性（感抗＞容抗），增益随频率增加而降低。
这一频率 f0 即为谐振频率（此时感抗=容抗），谐振时电路呈纯电阻性，增益最大。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
对于 LLC 谐振电路，等效分析得到如下简化电路。当交流等效负载 Rac 变化时，系统通过调整工作频率，改变 Zr 和 Zo 的等效阻抗，从而改变分压比，使得输出电压稳定，LLC 就是这样稳定输出电压的。可以得到与 LC 谐振电路类似趋势的增益曲线，峰值左侧呈容性（容抗＞感抗），增益随频率增加而增加，右侧呈感性（感抗＞容抗），增益随频率增加而降低。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
三、LLC 电路拓扑
电源开关可以采用全桥或半桥拓扑实现，每种拓扑都具备自己独特的输出波形，其中半桥 LLC 也称非对称半桥 LLC，一般用于小功率场合，具有开关管数量少等特点。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
电容分立半桥 LLC 也称对称半桥 LLC，工作原理与对称半桥 LLC一样，只是谐振电容容量小，电流峰值也会较小。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）
全桥 LLC 开关管相对于半桥 LLC 多，适用于大功率场合。
（图片作者：iFTrue 雷神；网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）』
『这两种拓扑的主要区别在于：全桥拓扑生成的方波没有直流偏移，幅度等于输入电压 (VIN) ；半桥拓扑则产生一个偏移 (VIN / 2) 的方波，因此幅度仅为全桥波的一半。
（图片作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）
每种拓扑都有其自身的优缺点。全桥拓扑需要更多的晶体管，因此实施成本更高。而且，添加的晶体管会导致串联电阻 (RDS(ON)) 增加，从而增加传导损耗；但另一方面，全桥实现可以将必要的变压器匝数比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地减少变压器中的铜损。
半桥拓扑的实施则更具成本效益，而且，它可以将电容器两端的 RMS 电流降低约 15%；不过，这种拓扑会增加开关损耗。权衡利弊之后，通常建议在功率低于 1KW 的应用中采用半桥功率开关拓扑，而在更高功率应用中则采用全桥拓扑。
四、LLC 软开关 LLC 变换器的另一个常见特性是其软开关能力。
软开关功能旨在通过利用电流的自然上升与下降、以及电路内部电压来降低开关损耗，以确保电子开关在最有效的时刻导通或关断。如果在电流近似为零时开关，称为零电流开关 (ZCS)。如果在低电压下开关，称为零电压开关 (ZVS)。LLC 变换器凭借其谐振特性，可以同时实现 ZVS 和 ZCS。
下图显示了 LLC 变换器的四种基本工作模式。模式 1 和模式 3 为标准的 LLC 操作。在模式 1 中，电流从电源输送到谐振腔和变压器副边（Q1 导通，Q2 关断）。在模式 3 中，存储在谐振腔中的剩余功率被传输到变压器的副边，其电流的流动方向与模式 1 中相反（Q1 关断，Q2 导通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出现，此时两个开关均关断；期间，电流流过晶体管的体二极管（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），这也称为续流。
（图片作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）
受体二极管的小压降限制，续流导致晶体管两端的电压 (VDS) 下降，直至接近零值。此时，两个栅极信号都为低电平，当电路从模式 2 转换到模式 3 、或模式 4 转换到模式 1 时，晶体管两端的电压接近于零，这最大限度地降低了开关损耗。
（图片作者：MPS 芯源系统，资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）』
NXP 基于 MC56F8xxx 的高效率 LLC 谐振转换器设计，Demo 设计详细介绍请参考博文【Industrial Power】NXP 基于 MC56F8xxx 的高效率 LLC 谐振转换器设计 - 大大通(简体站) (wpgdadatong.com.cn)
Demo 设计的实机演示可参考视频【Industrial Power】基于 MC56F8xxxx的LLC谐振转换器设计介绍 - 大大通(简体站) (wpgdadatong.com.cn)
五、参考资料
【1】浅显易懂地看LLC变换器：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511
【2】LLC 的工作原理（第 I 部分）：电源开关和谐振腔：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236
【3】这么完整的LLC原理讲解，不分享出来可惜了！：https://zhuanlan.zhihu.com/p/483014729