基於ST STF24N60M2的150W LLC開關電源評估板方案

目前在電源行業做得最火的一款電源就是串聯諧振式開關電源，簡稱LLC。LLC之所以如此受市場與廣大電源設計工作者的喜愛，是因為它工作時非常的高效，整機效率很容易做到90%以上。如果再有氮化鎵與同步整流加持，效率可輕鬆提升至98%。

判斷一款開關電源是否高效，首先要看它的拓撲結構，拓撲的硬性指標決定了開關管的損耗與磁性元器件的損耗。比如普通的單管反激式開關電源與雙管有源鉗位式開關電源，這兩者一個是硬開關，一個是軟開關，硬開關的損耗要遠遠大於軟開關。所謂軟開關一般可以理解為零電壓開通或零電流關斷，因為零電壓與零電流的緣故，所以開關管工作時的開關損耗就大大降低或者乾脆就沒有了。

正是由於軟開關的高效性，我們這邊手工製作了一款150W的LLC開關電源評估板，做這款LLC開關電源評估板目的，一是為了驗證軟開關的高效性，二是為了積累一些設計上的經驗與技術。因為平時經常要給客戶提供電源技術支持，並且大部分調試的機型都與LLC開關電源有關，正所謂打鐵還需自身硬，所以做一款LLC評估測試板很有必要。

此150W的LLC電源評估板，開關管採用ST的STF24N60M2，此MOS管相關參數是耐壓600V，導通電阻0.168Ω，額定電流18A。此MOS管採用了先進的垂直製作工藝，帶來了低內阻與低柵極電荷的好處，大大降低了工作時的導通損耗與驅動損耗。

LLC開關電源能實現軟開關的原因在於諧振，諧振時開關管在具有反向電壓的情況下開通，正是因為諧振時產生的反向電壓抵消了正向電壓，這才給開關管的零電壓開通創造了有利條件。結合圖片來說明，示波器中有三條不同顏色的波形，紅色代表電流波形，黃色代表驅動電壓波形，藍色是VDS（漏-源電壓）波形。從波形中可以看出，在驅動電壓還未到閥值電壓時（4.1V）,也就是開關管還未完全開通時，其正向電壓已經降到差不多零伏了。

這裡再多說一句，正向電壓也就是VDS電壓降低的原因是因為磁性元件產生的反向電壓抵消了正向電壓，反向電壓會通過MOS管內部的體二極體形成迴路。電路諧振的必要條件在於電路中要有電感與電容，LLC屬於串聯諧振，諧振時電路的阻抗值達到最小，從而讓傳遞能量的變壓器獲得最大增益。電路諧振時，開關管的損耗很低，在目前電源追求高頻化的發展趨勢下，這會有很大的效率優勢，而且工作頻率越高，這種優勢就越明顯。

無論是PD電源還是適配器電源，都講究高效與小型化，而要做到高效與小型化就必須提高電源的功率密度，這裡面的門道就在於提高電源的工作頻率。對於普通的採用硬開關技術的開關電源來說，高頻化雖然能提高電源的功率密度，減小體積，但很難做到高效，因為開關損耗會隨著工作頻率的提高而增大。囿於此，只有採用軟開關技術才能很好地解決掉電源高頻化的痛點。

本次設計的這款150W LLC開關電源諧振頻率是90kHz, 隨著輸出端負載的大小與輸入端電壓的波動，其工作頻率均會發生變化。結合示波器顯示的工作波形再做進一步分析，輸出直流電壓25.57V，負載電流6A，得到輸出功率25.57*6=153.42W, 調整市電交流輸入電壓到214V，測得的輸入功率為165.4W，整機效率92.7%，示波器上紅色波形是諧振電流波形，可以看出MOS管關斷時的諧振電流為1A。當把輸入交流電壓調到231V時，在輸出端帶同樣大小負載的情況下，MOS管的關斷諧振電流升到了1.4A，導致效率有所降低，到了92.4%。

眼力好的還能發現另一個問題，此時藍色波形出現了斷續，其實是振鈴。隨著工作頻率上升到135.5kHz，諧振電路的阻抗增加，阻抗增加後，變壓器與諧振電感的儲能降低，也就是電流變化率降低。反向電壓等於L*di/dt，當反向電壓值不夠的時候，波形就會出現斷續，這是這次評估後的新發現。所以為了避免波形出現斷續，也為了保證整機的效率，設計時要考慮工作頻率的範圍。當然，這也是LLC開關電源不能寬電壓範圍工作的原因。