基于ST STF24N60M2的150W LLC开关电源评估板方案

目前在电源行业做得最火的一款电源就是串联谐振式开关电源，简称LLC。LLC之所以如此受市场与广大电源设计工作者的喜爱，是因为它工作时非常的高效，整机效率很容易做到90%以上。如果再有氮化镓与同步整流加持，效率可轻松提升至98%。

判断一款开关电源是否高效，首先要看它的拓扑结构，拓扑的硬性指标决定了开关管的损耗与磁性元器件的损耗。比如普通的单管反激式开关电源与双管有源钳位式开关电源，这两者一个是硬开关，一个是软开关，硬开关的损耗要远远大于软开关。所谓软开关一般可以理解为零电压开通或零电流关断，因为零电压与零电流的缘故，所以开关管工作时的开关损耗就大大降低或者干脆就没有了。

正是由于软开关的高效性，我们这边手工制作了一款150W的LLC开关电源评估板，做这款LLC开关电源评估板目的，一是为了验证软开关的高效性，二是为了积累一些设计上的经验与技术。因为平时经常要给客户提供电源技术支持，并且大部分调试的机型都与LLC开关电源有关，正所谓打铁还需自身硬，所以做一款LLC评估测试板很有必要。

此150W的LLC电源评估板，开关管采用ST的STF24N60M2，此MOS管相关参数是耐压600V，导通电阻0.168Ω，额定电流18A。此MOS管采用了先进的垂直制作工艺，带来了低内阻与低栅极电荷的好处，大大降低了工作时的导通损耗与驱动损耗。

LLC开关电源能实现软开关的原因在于谐振，谐振时开关管在具有反向电压的情况下开通，正是因为谐振时产生的反向电压抵消了正向电压，这才给开关管的零电压开通创造了有利条件。结合图片来说明，示波器中有三条不同颜色的波形，红色代表电流波形，黄色代表驱动电压波形，蓝色是VDS（漏-源电压）波形。从波形中可以看出，在驱动电压还未到阀值电压时（4.1V）,也就是开关管还未完全开通时，其正向电压已经降到差不多零伏了。

这里再多说一句，正向电压也就是VDS电压降低的原因是因为磁性元件产生的反向电压抵消了正向电压，反向电压会通过MOS管内部的体二极管形成回路。电路谐振的必要条件在于电路中要有电感与电容，LLC属于串联谐振，谐振时电路的阻抗值达到最小，从而让传递能量的变压器获得最大增益。电路谐振时，开关管的损耗很低，在目前电源追求高频化的发展趋势下，这会有很大的效率优势，而且工作频率越高，这种优势就越明显。

无论是PD电源还是适配器电源，都讲究高效与小型化，而要做到高效与小型化就必须提高电源的功率密度，这里面的门道就在于提高电源的工作频率。对于普通的采用硬开关技术的开关电源来说，高频化虽然能提高电源的功率密度，减小体积，但很难做到高效，因为开关损耗会随着工作频率的提高而增大。囿于此，只有采用软开关技术才能很好地解决掉电源高频化的痛点。

本次设计的这款150W LLC开关电源谐振频率是90kHz, 随着输出端负载的大小与输入端电压的波动，其工作频率均会发生变化。结合示波器显示的工作波形再做进一步分析，输出直流电压25.57V，负载电流6A，得到输出功率25.57*6=153.42W, 调整市电交流输入电压到214V，测得的输入功率为165.4W，整机效率92.7%，示波器上红色波形是谐振电流波形，可以看出MOS管关断时的谐振电流为1A。当把输入交流电压调到231V时，在输出端带同样大小负载的情况下，MOS管的关断谐振电流升到了1.4A，导致效率有所降低，到了92.4%。

眼力好的还能发现另一个问题，此时蓝色波形出现了断续，其实是振铃。随着工作频率上升到135.5kHz，谐振电路的阻抗增加，阻抗增加后，变压器与谐振电感的储能降低，也就是电流变化率降低。反向电压等于L*di/dt，当反向电压值不够的时候，波形就会出现断续，这是这次评估后的新发现。所以为了避免波形出现断续，也为了保证整机的效率，设计时要考虑工作频率的范围。当然，这也是LLC开关电源不能宽电压范围工作的原因。