Что такое LLC-резонатор в блоках питания и зачем он нужен

Обзорщики постоянно отмечают наличие LLC-контура в схеме компьютерных блоков питания, но немногие понимают, зачем он нужен и как работает.

Как работает импульсный источник питания

В импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется, затем преобразуется в переменное высокой частоты (обычно несколько десятков кГц). Затем напряжение понижается до нужного уровня с помощью трансформатора и снова выпрямляется.   

В DC-AC преобразователях в качестве ключей применяются полевые транзисторы с изолированным затвором, они же MOSFET, которые формируют прямоугольные высокочастотные импульсы, питающие силовой трансформатор.

Но трансформаторы, как и любые индуктивности, прямоугольники не очень любят. Если из прямоугольной формы сделать синусоидальную, то потери на трансформаторе понизятся. Для этого и нужен LLC-контур.

Что такое LLC-резонатор

LLC-резонатор — резонансный контур, состоящий из двух индуктивностей и одной емкости. Расположен прямо перед силовым трансформатором.

Основой резонатора является пара конденсатор-индуктивность (L_R, C_R). Еще одна катушка — индуктивность намагничивания силового трансформатора (L_M) — добавлена в контур, позволяя регулировать напряжение при слабой нагрузке.  

К слову о регулировке: в БП с LLC-резонатором применяется не ШИМ, а частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Коэффициент заполнения импульсов постоянна и всегда равна 50%. Меняя частоту входного напряжения, приближая и отдаляя ее от резонансной для контура, можно управлять выходным напряжением и таким образом его стабилизировать. Диапазон такой регулировки мал, но для стабилизации более чем достаточен.

Именно LLC-резонатор обеспечивает синусоидальную форму тока на трансформаторе вместо прямоугольной. Режим работы схемы становится более мягким, убираются паразитные гармоники, снижаются тепловые потери. А еще благодаря действию самоиндукции в контуре резонатора ток сток-исток на полевых транзисторах отстает от напряжения, что обеспечивает ZVS-коммутацию, т.е. переключение при нулевом напряжении — MOSFET меньше греются.

Внешне БП с LLC-резонатором можно отличить по конденсатору и катушке, которые устанавливаются до трансформатора. Расчет и настройка LLC-резонатора — задача нетривиальная. Поэтому до недавних пор резонансные блоки питания стоили намного дороже обычных. Но на сегодняшний день технология отработана и перестала быть диковинкой.

Что есть еще?

LLC — не единственная резонансная топология блоков питания. Есть еще LCC-топология, в которой индуктивность намагничивания L_M заменена шунтирующим конденсатором C_S.

Такая схема также позволяет реализовать режим ZVS-коммутации на ключах и снизить до минимума потери при их переключении. Но в целом схема оказалась более сложной в реализации, чем LLC-топология. В частности, в этой схеме необходимо ограничивать ток контура при сильном снижении нагрузки — например, при переходе в спящий режим. Если не вводить обратную связь по выходному напряжению, при его падении частота коммутации ключей станет близка к собственной резонансной частоте ненагруженного контура. Это приведет к возрастанию токов в контуре и росту потерь.

Вывод

LLC-топология позволила повысить КПД импульсных боков питания до 98% за счет снижения потерь при переходных процессах на силовых ключах и тепловых потерь на трансформаторе. Технология не новая, методики расчета компонентов отработаны. В большом ассортименте выпускаются  элементы, предназначенные для ее реализации. Это позволило снизить цену на резонансные БП. Большинство современных энергоэффективных блоков питания построены на LLC-топологии и цену при этом имеют вполне приемлемую.