200W寬范圍L6599基HB LLC諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)解析

在電子設(shè)備不斷發(fā)展的今天，高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)對(duì)于LCD TV和平面顯示器等設(shè)備至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹一款基于L6599的200W寬范圍HB LLC諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)，探討其特性、電路設(shè)計(jì)、測(cè)試結(jié)果等方面。

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一、設(shè)計(jì)概述

該參考設(shè)計(jì)是一款200W的參考板，具備寬范圍市電操作和功率因數(shù)校正（PFC）功能，適用于LCD TV或顯示器等高端應(yīng)用。其主要特點(diǎn)包括極低的空載輸入功耗（<0.5W）和高整體效率，在滿載和標(biāo)稱市電電壓（115 - 230 Vac）下效率優(yōu)于87%。

二、主要特性與電路描述

1. 主要特性

• 輸入范圍：通用輸入市電范圍為90至264 Vac，頻率在45至65 Hz之間。
• 輸出電壓：提供24V@6A、12V@5A、 - 3.3V@0.7A和 - 5V@1A的連續(xù)輸出。
• 諧波與規(guī)范：符合EN61000 - 3 - 2規(guī)范，待機(jī)市電功耗典型值為0.5W@230 Vac，整體效率在滿載時(shí)優(yōu)于88%，電磁干擾（EMI）符合EN55022 - class B規(guī)范，安全符合EN60950規(guī)范。
• PCB設(shè)計(jì)：采用單層PCB，尺寸為132x265 mm，混合使用PTH/SMT技術(shù)。

2. 電路組成

電路由三個(gè)主要階段組成：

• PFC預(yù)調(diào)節(jié)器：由L6563控制器實(shí)現(xiàn)，工作在FOT（固定關(guān)斷時(shí)間）模式，通過(guò)C15、C17、D5、Q3、R14、R17和R29等組件實(shí)現(xiàn)FOT控制。其功率級(jí)是傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器，通過(guò)差分模式濾波單元（C5、C6和L3）連接到整流橋輸出，用于降低EMI。該階段提供穩(wěn)定的400VDC電源，并降低市電諧波。
• 半橋諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器：基于L6599諧振控制器，工作在ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）模式。L6599集成電路具有非線性軟啟動(dòng)、電流保護(hù)模式、專用引腳用于排序或欠壓（LINE）和待機(jī)引腳（STBY）等功能。變壓器采用磁集成方法，二次繞組采用中心抽頭配置，輸出整流器為肖特基二極管。反饋回路通過(guò)TL431（U4）和光耦合器（U3）實(shí)現(xiàn)，以調(diào)節(jié)輸出電壓。
• 輔助反激轉(zhuǎn)換器：基于VIPer12A - E離線初級(jí)開(kāi)關(guān)，能夠在整個(gè)市電電壓范圍內(nèi)工作，即使PFC階段不工作。該轉(zhuǎn)換器主要用于微處理器供電和顯示電源管理操作，輸出功率約為7W，輸出電壓為5V和3.3V。

三、電氣測(cè)試結(jié)果

1. 效率測(cè)量

在標(biāo)稱市電電壓115V和230Vac下，對(duì)不同負(fù)載條件下的輸出電壓進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)Yokogawa WT - 210數(shù)字功率計(jì)測(cè)量輸入功率，測(cè)量時(shí)需注意避免電纜和連接上的電壓降導(dǎo)致的測(cè)量誤差。測(cè)試結(jié)果表明，PFC預(yù)調(diào)節(jié)器在FOT模式下的高效率和諧振階段在ZVS模式下的極低開(kāi)關(guān)損耗，使得整體效率優(yōu)于88%。即使在低負(fù)載下，效率仍然較高，在輸出功率約為最大水平的10%時(shí)，整體效率在整個(gè)輸入市電電壓范圍內(nèi)仍能達(dá)到79%以上。

2. 諧振階段工作波形

• 滿載時(shí)：L6599的Pin 14上的半橋方波電壓驅(qū)動(dòng)諧振電路，開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì)跟隨PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的100 - Hz紋波進(jìn)行輕微調(diào)制。變壓器初級(jí)電流幾乎為正弦波，因?yàn)楣ぷ黝l率接近變壓器漏電感和諧振電容（C28）的諧振頻率，此時(shí)電路具有良好的ZVS操作裕度，效率高且EMI極低。
• 空載時(shí)：轉(zhuǎn)換器能夠在零負(fù)載下正常工作，輸出電壓仍在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。諧振槽電流呈三角形，代表流入變壓器初級(jí)側(cè)的磁化電流。

3. 待機(jī)和空載功耗

當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，+24V和+12V輸出無(wú)功率需求時(shí)，通過(guò)設(shè)置ST - BY信號(hào)為高，可使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器和諧振階段關(guān)閉，僅輔助反激轉(zhuǎn)換器繼續(xù)工作以供應(yīng)微處理器電路。測(cè)試結(jié)果顯示，空載時(shí)輸入功率低于0.5W。

4. 短路保護(hù)

L6599配備電流感應(yīng)輸入（pin #6，ISEN）和專用過(guò)流管理系統(tǒng)。當(dāng)電路中的電流超過(guò)0.8V時(shí)，會(huì)觸發(fā)內(nèi)部開(kāi)關(guān)，使軟啟動(dòng)電容CSS放電，實(shí)現(xiàn)近似恒定的初級(jí)峰值電流。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)外部編程設(shè)置轉(zhuǎn)換器在過(guò)載或短路條件下允許運(yùn)行的最大時(shí)間（(t{SH})）。如果超過(guò)(t{SH})，將激活過(guò)載保護(hù)（OLP）程序，使L6599關(guān)閉，并在連續(xù)過(guò)載/短路情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)間歇性操作。

5. 過(guò)壓保護(hù)

PFC預(yù)調(diào)節(jié)器和諧振轉(zhuǎn)換器都配備了各自的過(guò)壓保護(hù)電路。PFC控制器L6563內(nèi)部具有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)過(guò)壓保護(hù)電路，通過(guò)電壓分壓器檢測(cè)PFC輸出電壓，若超過(guò)內(nèi)部閾值，將限制PFC輸出電壓。此外，還設(shè)有額外的保護(hù)措施，防止反饋回路故障。諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電壓過(guò)壓保護(hù)電路使用兩個(gè)齊納二極管（D21和D23）檢測(cè)+24V和+12V輸出，若超過(guò)閾值，將使控制器ICs L6563和L6599的(V_{AUX})電源電壓不可用，直到市電電壓重新循環(huán)。

四、熱測(cè)試

通過(guò)紅外熱像儀對(duì)電路板進(jìn)行熱映射測(cè)試，測(cè)量了在標(biāo)稱輸入電壓下電路板元件側(cè)的溫度。測(cè)試結(jié)果顯示，所有其他電路板組件的工作溫度均在限制范圍內(nèi)，確保了電源的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

五、傳導(dǎo)發(fā)射預(yù)合規(guī)測(cè)試

在115V和230V下的測(cè)量結(jié)果符合EN55022 Class - B規(guī)范，測(cè)量采用準(zhǔn)峰值檢測(cè)模式。

六、總結(jié)

這款基于L6599的200W寬范圍HB LLC諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)在效率、功耗、保護(hù)等方面表現(xiàn)出色，適用于LCD TV和平面顯示器等對(duì)電源要求較高的應(yīng)用。電子工程師在設(shè)計(jì)類似電源時(shí)，可以參考其電路設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。