LLC谐振电感外置与集成的优缺点

大家好，我是张飞实战电子姜维老师！接下来给大家分享LLC谐振电感外置与集成的优缺点。

LLC电源里面有一个谐振电感与谐振电容，但是很多时候见到的实际PCB板里面只有LLC变压器与谐振电容，并没有谐振电感，这个谐振电感是集成到了变压器里面了，那么这个电感其实就是利用了原副边的漏感来做的谐振电感，在硬开关里面漏感是我们不想要的，希望他越小越好，因为漏感上面储存的能量还需要专门要做一个电路进行出来，但是谐振变换器里面漏感是有益的，可以用来做谐振电感，这样就可以不用再做一个电感来做谐振电感，这就是集成谐振电感的变压器。而有些电源是有独立的谐振电感与变压器的，这种就是外置谐振电感的电路，下面我们就来讨论下这两种电感的方法优缺点。

一、外置谐振电感的优点：

外置谐振电感是一个单独的电感，与主变压器是分离开的，这设计起来就非常灵活了，虽然感量是通过具体的设计得来的，但是具体的电感可以用不同的材质，来优化电感上面的损耗，并且可以把功率密度做高，而且主变压器的磁芯骨架的选择比较多。外置谐振电感对于我们变压器的调整是没有影响的，因为在调试的过程中，可能我们的原边圈数有可能调整，调整原边绕组就会影响漏感，因为是分立的变压器，一般漏感都控制的非常低，与外置的谐振电感比起来是非常小的，所以微调原边的圈数，对谐振电感的影响不是很大，可以忽略。

二、外置谐振电感的缺点：

外置谐振电感的成本是要比集成的要高，这是单独制作了一个电感，材料上面就会多出来的磁芯和骨架、绕电感的铜线等，然后就是工时成本了，一个是电感制作成本，然后就是电源制作的时候需要插件的成本。谐振电感工作的电流是交流的，所以磁感应强度工作在第一象限与第三象限，为了磁芯的损耗不是很大，一般Bmax取值都比较低，这样导致用铁氧体磁芯的时候中柱开的气息比较大，很容易引起谐振电感的涡流损耗比较大，导致温度比较高。

三、集成式的谐振电感的优点：

  集成谐振电感在材料与人工上面可以节省下来一些成本，但是集成式的电感需要专门的骨架来绕制才可以，因为是漏感做谐振电感，一般计算出来的谐振电感的感量占主感量的20%了，也就是说漏感需要达到原边感量的20%，这样原边与副边的耦合不需要很好，

为了把漏感做大，我们一般需要用到一些专业的骨架，这种骨架带来的好处就是漏感大，并且原副边的寄生电容变小了，这样对于我们的LLC是有一定好处了。一般我们用的集成式的骨架是把原边与副边分开的分槽骨架，这样原副边之间的安规就要比分立的好很多，可以原副边的都用漆包线，原副边的安规基本可以不用考虑，并且整个绕制都要简单很多，

四：集成式谐振电感的缺点：

    这种集成式的变压器的缺点也是非常明显，整个变压器体积要比普通的大很多，因为是分槽绕制的，所以绕制空间一般需要比较大，并且漏感需要比较大，这种骨架一般都是需要订制，这样对于成本来说就会增加，当然如果量比较大，多出来的成本基本可以忽略。因为谐振电感就是原边的漏感，所以在绕组原边圈的时候对漏感的大小影响非常的大，一旦固定下来谐振漏感，那圈数就不好调整，所以集成式谐振电感一般做的功率不是很大，到了上千瓦的功率基本就都是用分立电感来做谐振电感。

总的来说我们在设计中是用集成式的谐振电感还是分立的这个还是需要根据每个公司的情况去考虑，如果是量比较大的，功率不是很大，用集成式的是有很大的优势的，因为功率小，一般谐振电感比较大，励磁电感也比较大，如果用外置电感的话，用铁氧体做谐振电感，电感的绕线圈数多，绕线电阻大，铜损是比较大的，用集成式的就没有这个问题了，但是集成的在功率大的时候磁芯的涡流损耗比较重，所以都用外置的。

自激式电源的介绍

目前市面上的隔离电源非常的多，对于一些低成本的电源很多都是用反激来做的，随技术的更新，一些小功率电源都是用集成芯片做的，现在集成的芯片成本都非常的便宜，但是还是有很多的工程师在用自激式的电源，那对于自激式电源的特点有哪些了。

自激式开关电源的特点：

1、自激式开关电源结构简单，都是一些三极管、二极管、电容搭这些基础的器件搭建而成，生产制造成本低廉。不需要芯片控制，对于目前的很多的芯片都买不到的情况下，可能有很多的工程师会想到用自激式的方式来做电源。

2、自激式开关电源的脉冲信号是通过变压的绕组自激振荡产生的，这一种方式产生的脉冲它的频率是不固定的，随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率会自动降低，这里有点像它激式的PFM控制方式。

3、自激式开关电源在占空比D发生改变时，开关管的集电极电流与电压相对值发生变化，因此占空比的变化范围较小，一般设计的时候占空比小于50%。

4、自激式开关电源在搭建电路的时候也是可以具备一定的自保护功能，比如负载过重的时候，原边绕组的电流过的，通过检测限流电阻的大小来关闭主功率管的基极，因此保护电路比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。

5、自激式开关电源因为随频率变化而变化，在功率大的时候电源稳定性很差，可靠性不高，我们想下自激式的电源都是一些三极管搭建的，三极管的一些特性随温度的变化而变化，这就导致了电源一致性很差。所以一些大功率的都比用自激式的方式。

以上的特点是自激开关电源所以具有的，自激式电源的优势就是结构简单成本低，用几个三极管就可以搭建而成。但是现在自激式开关电源越来越少了，这是因为很多国产的芯片制造商都能造出比自激式电源更简单便宜的芯片，外围电路可能就是几个电阻电容，电路非常简单，可靠性方面要比自激式电源好很多，在设计上面比自激式的电源要简单，这就导致了自激式电源成本低，器件少结构简单的优势荡然无存。所以一些小功率电源都转向了用集成式的芯片。

下面我们就自激式电源的工作方式简单的介绍下：

1、启动的时候，R1上面流过启动电流让Q1基极有电流流过，这样Q1的CE之间会导通，变压器的原边绕组加有输入电压，因为有电流流过而产生了自感，这样Np产生是上正下负的电压，如图上红色标识。

2、根据同名端电压相同，输出绕线产生了上负下正的电压，二极管反偏截止，输出绕组没有电流流过。

3、而辅助绕组的产生了上正下负的压，这个电压通过R2给C2充电，电流回路流过Q1的基极，使Q1的基极电流变大，这样加速了Q1的导通。

4、当Q1导通一段时间后，Np绕组的电流增大到一定电流后，在Rcs上面产生的压降能使Q2的基极导通，这样Q2的CE之间导通，Q2导通后Q1的基极电流开始下降，这样集电极电流开始变小，原边绕组Np电感为了阻止电流变小就会产生反向电动式，这样就会产生上负下正的电压，这时候辅助绕组Na也产生了上负下正的电压，这样R2就变成了给C2放电了，同时也减小了Q1的基极电流，加速关断Q1。

5、输出绕组D1这个时候导通，变压器释放能量，给负载提供能量并且给输出电容充电。等绕组的电流放完后，绕组再次振荡产生新的周期，这就是整个自激的过程。

气体放电管与压敏串联应用时谁会先导通

陶瓷气体放电管在开关电源里面应用的非常多，经常与压敏电阻串联一起使用。

如下图所示，气体放电管与压敏串联放置在输入的L/N与大地线之间，他们的作用是在共模雷击的时候起到一个抑制雷击电压的作用，雷击时压敏电阻与气体放电哪个先导通了。

首先我们先来了解下气体放电管的特性。

气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成，基本外形如图2所示。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极两端的电压不超过击穿电压。

气体放电管的参数：

1）反应时间指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量极。

2）功率容量指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8/20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。

3）电容量指在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。

4）直流击穿电压当外施电压以100V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素

下面看下压敏电阻的参数：

看上面表格压敏电阻参数，从表格中我们可以看到在1kHz的时候电容有210pF，而我们的放电管1MHz频率下面的电容是在1-2pF

图1的原理图可以画成下面的图3的原理图，如果我们在L线对PE之间加雷击浪涌电压，放电管与压敏电阻的电压会被寄生的电容分压。两个电容串联的时，容量小的分压高，容量大的分压小，压敏的寄生电容是放电管的几百倍，所以大部分的电压会分压到放电管上面，这样就会导致放电管击穿电压先达到，放电管导通后电压才加到压敏电阻上，压敏电阻才会导通。这样的压敏与放电管串的电路应用，响应的时间就是放电管与压敏电阻响应之和。

假设GD1放电管的响应速度是200nS，MOV3压敏电阻的响应速度是25nS，在L与PE之间加雷击浪涌电压，因为寄生电容的原因，会先让GD1导通，然后才是MOV3导通，所以整个电路的响应时间是200nS+25ns=225ns，也就是两个器件响应之和。

Buck电感感量计算

Buck变换器别名叫降压变换器，串联开关稳压电源。

作用是把输入高电压转换成人们需要的低压。不要市电是AC220V，整流滤波后是310V的直流，大多电子产品是低压电路，一般是5V、12V、24V、36V、48V等，这些低压的电子设备不能直接应用输入AC整流后的直流电压，必须用一个转换器转换成所能应用的低电压。当然能把高压转化成低压的转换器有很多种，Buck只是其中的一种，他的优点是效率高，体积小，不同负载下面稳压效果好。

线路组成主要的功率器件是由开关管Q1，二极管D1，储能电感L1，输出滤波电容C1组成，

下面在稳态的时候进行分析

当Q1导通的时候，电流是由输入端正流过Q1→L1→负载再回到输入的负，形成回路1，根据KVL在回路1里面这个时候电感L1两端的电压是Vin-Vo-Rds*I，忽略mos管的压降，电感两端电压VL=Vin-Vo. 导通的时间为Ton，电感电流是线性上升（在电感没有达到饱和前）

在Q1关断是电感电流达到最大lLmax.

当Q1关断的时候，因为点感电流不能突变，为了维持原理的电流，D1导通，电流的流向由L1→负载→D1→L1形成了回路2，根据KVL，在一个回路里面的电压为0，这个时候电感上的电压为VL=Vo+Vd，如果忽略二极管的压降，电感两端电压为Vo,关断时间为Toff

电感放电时间为Tm，

当Tm＜Toff时，电感电流是不连续，这种电感电流不连续叫断续模式（DCM）。

当Tm＞Toff的时候电感电流是连续，这种电感电流连续的叫连续模式（CCM）。

当Tm=Toff时电感电流刚好释放完，这种处在连续与断续之间的叫临界模式（BCM）。

我们看整个的回路1与回路2里，电感L1与负载一直都在，而输出的负载电流是恒定的Io。

输入电感电流在整个周期里面，一直是变化的，但是平均值电流是与输出电流一样就是Io。

又因为电感电流是线性增长后是线性下降的（电感不饱和），所以我们可以通过电感上的最大电流来判断电感是工作在连续还是断续。

当电感最大电流ILmax = 2Io的时候，电感电流是工作在临界，

当电感最大电流ILmax＞2Io的时候，电感电流是工作在断续，

当电感最大电流ILmax＜2Io的时候，电感电流是工作在连续。

下面是电感电流工作在连续与断续的波形。

从上图可以看出来，如果以输出电流为参考，当△I=2Io的时候，设置开关频率fs

这个时候可以根据U=L·di/dt，L就可以计算出来，推导过程如下。

在Q1导通的时候电感两端电压U=Uin-Uo，

dt为导通时间Ton，

电感的计算公式就是

假设一个12V输入的电压，输出电压为5V，输出电流为2A，开关频率为100kHz

需要计算下临界模式下电感的感量L

临界模式，那么电感上变化的电流△I=2·Io=4A

Ts=1/fs=1/100kHz=10μs

又因为是临界模式

首先输入电压范围Uin_min-Uin_max,输出电压Uo输出电流Io

这里计算电感的时候，我们需要知道，如果我们设计在输入最低电压电压临界，大于最低电压整个电感是断续的，如果我们设计在最高电压临界，在带满载的时候整个输入范围都是连续的。

Buck电路电感计算讲解2

前面讲了buck电感临界模式的计算，考虑的是输入电压恒定的时候，

如果我的输入电压是一个变化的电压，比如输入源是电池，这个时候我们就需要考虑电感在最大电压与最小电压工作在满载的时候，断续模式里面电感电流的最大值峰值是在什么电压下面的。

首先确定好输入最大直流电压Uin_max,与最小直流电压Uin_min，输出电压Uo输出电流Io。

根据输入电压可以计算出来最大占空比与最小占空比，

Buck电感里面的平均值电流是Io，如果在最低输入电压下面设计成临界模式，在整个输入范围内就是断续模式。

根据上面的图，如果输出电压与电流不变，电感电流随输入电压变化而变化，

在临界模式里开关管开通时间

根据占空比的公式输入电压变高的时候D变小，所以Ton变小，一个周期里面电感的平均值电流Io是不变的，假设电感峰值电流不变，那么电感流过电流与时间形成的三角形面积=Io×T，周期T是固定，Ton变小，如果峰值电流不变也就是△I也不会变，输出电压固定Tm也不变，T不变，这样就会导致Io变小，与前面要求的Io不变相违背，要想Io不变，只有峰值电变大。下面来证明下。