ZHCAFS3 September 2025 UCC25661
4.3 如何在電池充電器的 LLC 設(shè)計(jì)中支持寬 VOUT 范圍
首先，在整個(gè) Vin/Vout/Iout 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS，然后在適合電池充電器的寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié) VOUT。
挑戰(zhàn)在于磁化電流相對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率、輸出電壓和輸入電壓變化極大；所有這三個(gè)參數(shù)通過(guò)下面所示的增益 — 頻率關(guān)系相互聯(lián)系在一起。此處我們重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)換器工作時(shí)遠(yuǎn)離諧振的兩個(gè)主要頻率區(qū)間。如開(kāi)頭所述，在 fS > fR 時(shí)，僅當(dāng)存在足夠的負(fù)載電流（通常在過(guò)載條件下或接近短路）時(shí)，LLC 的增益才趨于零。在所有其他條件（輕負(fù)載或中等負(fù)載）下，增益略小于 1。對(duì)于電池充電器而言，這更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡姵仉妷弘娖叫枰鲆孀兓拍塬@得遠(yuǎn)低于 1 的值。在這方面，通過(guò)結(jié)合使用低頻和高頻突發(fā)模式，控制器可以調(diào)整等效增益使其完全低于 1，而不會(huì)造成任何特定損失并實(shí)現(xiàn)高效率，并且無(wú)需將開(kāi)關(guān)頻率轉(zhuǎn)換為非常高的值。將 Fsw 轉(zhuǎn)換到 MHz 范圍的主要缺點(diǎn)是，所有寄生元件（在生產(chǎn)中難以管理）對(duì)功率級(jí)的功能和效率的影響越來(lái)越大。
另一方面，第二個(gè)頻率區(qū)間 (fS < fR) 還面臨著增益不足的挑戰(zhàn)，這使得 LLC 轉(zhuǎn)換器難以同時(shí)覆蓋低 VIN 和高 VOUT 的工況。通過(guò)正確設(shè)計(jì)具有適當(dāng) Ln (Lm/Lr) 值的變壓器，可以獲得高功率級(jí)增益，因?yàn)檫@定義了可達(dá)到的最大增益。如果變壓器的集成漏電感不足以獲得正確的 Ln 值，則可以添加一個(gè)額外的電感器。
圖 4-3 低關(guān)斷應(yīng)力- 必要且足夠的軟開(kāi)關(guān)條件：
- 電感輸入阻抗
- 諧振回路內(nèi)部有足夠的能量，可對(duì)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)關(guān)的輸出電容器進(jìn)行放電或充電
- 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)開(kāi)關(guān)之間有足夠的死區(qū)時(shí)間
利用 TI 的 GaN，我們可以實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：
通過(guò)集成驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化內(nèi)部 GaN 架構(gòu)：
- 通過(guò)減少漏源電壓上的過(guò)沖和振鈴來(lái)提高可靠性
利用低輸入和輸出電容：
- 減少硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)損耗
- 可以在硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率
- 減少軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的循環(huán)電流
零反向恢復(fù)電荷：
- 硬開(kāi)關(guān)半橋轉(zhuǎn)換器中無(wú)反向恢復(fù)損耗
- 實(shí)現(xiàn)全新橋式拓?fù)?/li>
大幅減少開(kāi)關(guān)損耗：
- 較低的柵漏電容 (COSS) 可縮短轉(zhuǎn)換周期
- 允許更快的開(kāi)關(guān)速度
- 減少或消除散熱
圖 4-4 完整解決方案方框圖電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)采用多級(jí)方法，它專為高效率和緊湊外形而設(shè)計(jì)。
兩級(jí) EMI 濾波器由兩級(jí)組成，采用兩個(gè)共模扼流圈和兩個(gè) x 電容器。其后是自驅(qū)動(dòng)半有源橋式整流器，這幾乎消除了橋接器的兩個(gè)低側(cè)二極管上的傳導(dǎo)損耗，但高側(cè)二極管仍是標(biāo)準(zhǔn)二極管。該方法減少了橋接器中的總損耗，且僅允許使用 SMD 元件，避免了昂貴且笨重的散熱器。
UCC28056 控制器驅(qū)動(dòng)的主 PFC 升壓級(jí)采用 GaN 來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率，方法是保持高開(kāi)關(guān)頻率并提倡小電感器的使用。
第二個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，由最新的控制器 UCC256611 驅(qū)動(dòng)。
添加了同步整流器部分以提高效率，以提高效率并控制損耗與功耗。
系統(tǒng)控制和通信由 MSPM0 微控制器處理，通過(guò) I2C 通信將 VOUT 和 IOUT 參考設(shè)定點(diǎn)發(fā)送到兩個(gè) DAC。
最后，添加了一個(gè)額外的熱插拔功能，以限制最壞情況下的負(fù)載電流并動(dòng)態(tài)管理負(fù)載連接。在涉及實(shí)際電池連接的場(chǎng)景中或在電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)督充電和放電參數(shù)時(shí)，該功能對(duì)于確保穩(wěn)健運(yùn)行至關(guān)重要。