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。

变压器的制作

电源的变压器设计好后，大部分的工程师都会试绕下，看具体的设计是不是合理，因为变压器还是有很大一部分是结构上面的问题，变压器绕制的时候就需要注意一些事项首先就是我们的骨架的确定，用什么样的磁芯骨架对于变压器的绕组是有很大的不同，比如相同的AP，有磁芯的横截面积Ae小的但是绕线空间Aw比较大，也可以选择Ae值大的，绕线空间相对来说小的。

确定好磁芯与骨架后，就可以计算原副边圈数，然后根据线圈上通过的有效值电流来计算所以用的绕线的横截面积，这里计算出来的绕线的直径只是导线纯铜的横截面积，我们的变压绕线用的线有漆包线、多股线、三层绝缘线、丝包线、铜箔等。我们在绕制变压器的时候对于线的选择是需要注意：

1：漆包线是一种铜线外面包有一层比较薄油漆叫电器绝缘层，它里面含有油料、树脂、颜料、填料和溶剂等。为了达到电器绝缘的要求，电器绝缘漆的膜层结构不同于一般油漆，它的电阻系数大，导热性能好，并且有坚固的机械性能和良好的抗潮性，有一定的耐压耐温度作用，我绕制变压的时候圈数是紧密靠在一起的。

2、多股线是由多跟漆包线组合而成，一般单根的直径是0.1mm的线，然后有多股，比如50股0.1mm的线绞合在一起，这样的线一般是用来减少集肤效应，当单根小直径超过0.5mm以后，就不是很建议用单根线了，一般都用多股线，多股线与漆包线没有什么区别。

3、丝包线是指在导线或漆包绞合线外面包一层天然丝或纤维丝(尼龙、聚酯纤维、天然丝、自粘丝等)做绝缘层而制成的电磁线，丝包线的绝缘程度要比多股线好。

4、三层绝缘线三重绝缘线是一种高性能绝缘导线，其有三层绝缘材料，中间是导线芯；最外层是透明的玻璃纤维，中间层是喷漆涂层；最内层是被国外市场称之为“黄金薄膜”的一厚度仅仅几微米的聚酰胺薄膜，但是却可以承受3KV的脉冲高压。绝缘材料的总厚度不超过100μm。所以我们在计算变压器的时候，如果要使用三重绝缘线，一般把外径加上0.2mm。

5、铜箔一般都是输出大电流的时候应用，一般选择铜箔的时候需要选择铜箔的宽度与厚度，铜箔在宽度是根据磁芯骨架来选择，然后根据需要截面积计算厚度。

当我知道线材后，在选择线的时候根据需要选择合适的线径，在就是根据安规要求，是选择挡墙还是选择一边绕组用三层绝缘下，用三层绝缘线的成本高，但是少了绕挡墙的工时，这样减少了绕线的工序，如果原副边都用漆包线，就需要加挡墙。

加挡墙的工艺里面需要注意，每绕一次挡墙的厚度都需要与绕的绕组厚度一样，当绕完一个绕组后，再根据需要加层间绝缘胶带，然后再加下一个绕组的挡墙，一般原边绕组与副边绕组需要6mm爬电距离，也就是原边绕组加3mm挡墙，副边绕组也要加3mm的挡墙。

绕线在绕组的过程中需要注意一般是紧密绕制，如果不能绕满一层的需要均匀分布，这样有利于下面一个绕组的绕制，绕制的过程中不能有重叠绕制与绕线绕到挡墙上面的。

这是避绕组拉伤与浪费绕线空间的原因。如果是绕到挡墙上面，这样原副边的安规就不够了。

因为绕制的过程中，胶带不一定是平整的，所以绝缘胶带的宽度一定要大于骨架的骨槽宽度0.5mm，然后是在自作的过程中挂脚需要注意，绕组在挂到脚位上之前，需要套一根套管，这跟套管一般都是铁氟龙套管，大小以刚好能套住绕线为好，这样可以减小绕线空间，对于套管的位置需要注意看图二，在绕线的过程中不要出现图二中的B、C两种现象。

变压绕线绕好后就是组装磁芯了，在组装磁芯前需要开气隙来控制感量，对开气隙一般有叠气隙，还有磨气隙两种，一般工程师自己做样品都是叠气隙，这是因为没有专业的设备，如果是产品还是尽量磨气隙为好，按经验来说磨气隙的EMI会好点，叠气隙的差点，但是叠气隙的效率会高点，叠气隙所用的材料一般用绕变压用的层间绝缘胶带，这里特别注意不能用挡墙胶带。当气隙调整好后就是组装了，组装的时候磁芯需要对接好后然按紧后用胶带固定，固定也是用黄胶带，一般需要2-3层，然后再测下电器参数与安规，测试完全后整个变压器就制作完成了。

反激变压器磁芯的选择

反激电源的变压器设计时候当原边感量计算好以后，这个时候就需要选择磁芯，然后计算圈数了，磁芯的选择对于大部的工程师都靠经验去选取的，当然可以在网上找到很多的关于多少功率与开关频率所对应的磁芯，但是有很多的工程师可能会看到一些书上面用的Ap法去计算变压。

很多刚学做电源的工程，对于Ap法是非常感兴趣的，下面我们就基于Ap法是怎么来的进行推导下。

首先Ap法就是根据磁芯的横截面积Ae与绕线的窗口面积Aw来计算的，AP=AeXAw，对于磁芯的横截面积Ae与绕线窗口面积Aw是可以在磁芯规格书里面查到的。有很多的磁芯规格书也是直接给出Ap值的，

首先反激变压器是根据临界模式来计算的，我们以最大功率最小输入电压时变压器工作在临界模式来计算的。

变压器原边峰值电流Ipk

原边圈数Np     副边圈数Ns

Ip_rms为原边绕组的有效值电流

Is_rms为副边绕组的有效值电流

J绕组电流密度6A/mm^2      Vor反射电压

Kw为磁芯绕线窗口的利用率0.4

原边绕组占用的窗口面积

副边绕组占用的窗口面积

整个变压器Aw=Awp+Aws

那么这里需要计算出来原边的Np、Ns、Ip_rms、Is_rms

计算出来了Np、Ns、Ip_rms、Is_rms后，我们就可以计算原边绕组与副边绕组所占用的窗口面积Aw

把上面的Np、Ns、Ip_rms、Is_rm代入到下面的公式。

代入后得到了公式

又因为

化解后得到下面公式

因为变压器在绕组的过程中，会有挡墙，绝缘胶带，线与线之间的空隙等，我们磁芯的窗口利用率是不能到100%，根据的部分工程师的经验，一般磁芯的窗口利用率为0.4左右，我们这里选择Kw=0.4

那么实际的Aw1=Aw÷0.4

知道了Aw后，就是需要计算Ap了，Ap=Aw×Ae

上面就计算出来了Ap的值了，Kw，Bmax，J都是固定值，所以不同的功率Pin与开关频率fs，去值不同的Dmax等有关系，占空比如果在最低输入电压的时候可以选择0.5左右，

代入到Ap里面可以计算出来实际的Ap法

从上面的公式里面可以得出，功率越的磁芯选择越大，频率越大，磁芯的选择越小。

根据上面的公式计算出来了Ap后再去选择所对应的磁芯。

确定好磁芯后，根据磁芯的横截面积Ae值，可以计算出来变压器的圈数

反激变压器的感量计算

目前市面上的电源大部分是反激的拓扑结构，变压器是反激电源的核心，并且变压器的好坏决定整个电源的性能，要设计好一个变压器，是需要根据一个电源的要求来合理的设计好参数，不同的参数值就对应不同的要求，比如要求成本的非常低可能对于温升等就会要求少点，或是要求性能非常好的可能成本就会多点，或是要求体积小的效率可能会低点等等，很多时候都是侧重了每几个点，当然其他的也要综合的考虑，所以变压器的设计非常的灵活，如果是设计不合理整个电源需要重新设计。

下面我们系统的讲下变压器的设计，设计变压器首先需要选定一个工作点，一般我们都是选定在最小输入电压的时最大输出功率来设计。

下面我们对变压器的设计进行详细的说明。

第一步：计算输入功率Pin

确定好输出的功率Po，然后是假设电源能到达的效率η，根据输出功率与效率来计算出输入的功率

第二步：确定输入电压范围

知道输入功率后，就是要确定好输入电压的范围了，

客户给我们的输入范围，比如输入的电压是AC85-AC264V，是输入的交流电压的有效值，但是反激电源是一个DC-DC的拓扑，需要知道输入的DC范围，所以我们需要一个电解电容滤波，有电解电容滤波后，反激输入的最大DC电压就是AC264V的峰值电压了，Vin_max=264×1.414≈373V

知道了最大电压还需要知道最小输入电压，最小的输入电压是在交流输入最小的时候，看下面的图，输入交流电压整流后是馒头波，频率是输入的2倍，当电解电容充到输入峰值电压Vpk值后，电容停止充电了，电容开始放电，当放电到下一个周期的输入电压等于电容上面的电压Vin_min的时候，电容再次充电，那么这个Vin_min的电压是由输入的功率与输入的电解电容决定的。

一般我们可以经验来选择，对于AC85V输入电压的时候，是1W功率选择2uF的电解电容.

根据经验值选择好电容后，输入电解电容上面的纹波电压Vrip大概是40V，知道了纹波电压，就可以计算出来

根据电解电容上的最大与最小电压就能确定变压器原边的输入电压范围是DC80V-373V

第三步：确定好变压器的工作模式

变压器的工作模式就是工作在CCM、DCM的模式了，一般的反激都是工作在DCM的模式，当然现在很多都是设计在QR的模式。

我们这里以DCM模式为列，也就是输出最大功率并在输入最低电压时工作在临界模式。

第四步：确好反激变压器的反射电压Vor

Vor的确定是根据最小输入电压的时候的最大占空比Dmax，同时需要根据最大输入电压Vin_max来决定MOS管的电压。

首先是最大占空比的确定，反激值的最大占空比一般是不能大于0.5,也就是Vor＜Vin_min。

MOS管的最大电压VDSS取决

MOSFET的应力是由最大输入电压Vin_max、反射电压Vor与尖峰电压Vp。

VDDS*90%=Vin_max+Vor+Vp,取值90%是因为低温的原因。

尖峰电压一般我们取小80-100V

如果MOS管的电压选择650V的管子,

Vor=VDSS*90%-Vp-Vin_max=650V*90%-100V-373V=112V

但是根据输入最小电压80V，Vor＜80V

所以我们可以选择Vor=75V。

第五步：根据Vor与变压器最小输入电压计算最大占空比

第六步：开关频率fs的设定

一般我们都是设定在45-65kHZ左右。

第七步：原边绕阻最大峰值电流Ipk的确定

根据输入电压与输入功率可以计算出变压器绕组的平均值电流

再根据最大占空比可以计算出来原边开通时的最大平均值电流Iave_on

计算出来原边开通平均值后就可以计算出来原边的峰值电流Ipk=2*Iave_on

第八步：计算出变压器原边的感量Lp

根据峰值电流Ipk就可以计算出原边的感量Lp

这样就可以计算出来原边的感量了。

TL431的应用电路图

TL431在电源里面应用非常的广泛，最常见的应用就是在输出反馈电路上面。

下面我来介绍下在几种常用的电路，在应用TL431之前，先要清楚的知道下面几个点。

1、TL431的KA之间最大只能承受36V的电压。

2、KA之间需要流过1mA的电流才能正常工作。

3、低动态输出阻抗：0.22Ω（典型值）。

4、TL431的工作温度一般都是85℃，在应用的时候需要注意环境温度。

下面来介绍下TL431用来提供一个参考电压的电路图2，这个VKA电压就是等于TL431内部的基准电压Vref=2.5V，这里应用的时候需要注意下，R这里有很多的人都接一个1uF的电容对地，这里不需要接电容，如果接电容的话也是接一个1nF或是10uF的，如果是1uF的有可能引起振荡。

如果我需要一个大于2.5V的电压并且精度要求比较高那么我们就可以应用图3的电路，VKA=Vref（1+R2/R1）这里需要注意的是R1的取值一般是根据R1上面流过的电流来选取，

因为TL431的R极是有一个偏置电流的，这个偏置电流都是非常的小一般是几微安的电流

很多时候我们计算的时候都是没有考虑这个偏置电流的，这是因为R1上面流过的电流是远远大于偏置电流，所以没有去考虑。为此在选取R1的时候一般都是让R1上流400uA-2mA之间的电流，如果选择1mA的话，那电阻R1=2.5V/1mA=2.5K的电阻，实际应用中可能选择了2.3K的电阻或是2.7K电阻。

TL431应用到恒流电路里面应用：

在一些简单的电路里面要求电流恒定的时候，就可以应用下面的电路，下面只是一个给电池充电的简单电路，充电电流IC=Vref÷Rcs，在个电路里面的应用一般都是对于小电流的电池充电，因为Rcs上面的电压要达到2.5V,是一个恒定的电压，只有限流电阻上面的电要恒定，电阻不变才能实现恒流充电，电流大时Rcs电阻小，电阻上面的损耗功率比较大。

电阻上面的损耗，如果是大电流的就要应用其他的电路了。

图4线性电源里面稳压管来稳住三极管的基极电压，因为三极管工作在放大区域，所以输出电压Vo小于0.7V稳压管电压，这样基本上是可以实现我们所需要的电压，但是稳压管的值是一系列标准值，有时候我们需要一个精度比较高的电压的时候，稳压管的应用就不行了，而且稳压管的精度在高低温里面误差比较的，所以高精度线性电源就不适合用稳压管。

图5是TL431应用到线性电源里面，可以得到一个精度比较高的输出电压Vo。

首先TL431的温度特性比较好，

然后TL431的R脚的可以共通过电阻R1与R2检测输出电压，实现了一个负反馈电路。

并且可以调节R1的的阻值可以得到我们所需要的电压。