應(yīng)榮輝

（浙江省紹興市上虞區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，浙江 上虞 312300）

0 引 言

作為保障通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行必不可少的重要設(shè)備，對通信電源的研究始終是業(yè)內(nèi)熱門?，F(xiàn)階段的通信電源整體運行效率偏低，通信網(wǎng)絡(luò)中很多老舊的通信電源模塊實際運行效率僅約85%[1]。如果能將效率提高至98%，即使在低負載下依然可以做到高效率運行，搭配更先進的休眠技術(shù)就可以實現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大化。DC/DC諧振式通信電源以其高可靠性、高效率、高功率密度成為通信電源電路設(shè)計的首選。邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）諧振變換器可有效提功率密度和開關(guān)管工作頻率，同時實現(xiàn)高效率。此外，在變換器前增加一個有源功率因數(shù)校正電路可有效提高通信電源系統(tǒng)的功率因數(shù)和運行效率，因此結(jié)合有源功率因數(shù)校正電路和DC/DC諧振變換器的優(yōu)點提出兩級通信電源電路設(shè)計方案，旨在有效提高通信電源的運行效率，促進通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展。

1 總體設(shè)計方案

本次設(shè)計的通信電源為有源功率因數(shù)校正電路和DC/DC諧振變換器兩級結(jié)構(gòu)。其中有源功率因數(shù)校正電路可以在確保通信電源可靠、體積小巧的基礎(chǔ)上實現(xiàn)不低于95%的功率因數(shù)[2]。DC/DC變換電路采用軟開關(guān)LLC半橋諧振變換器，可以滿足高效率要求。兩級電路均設(shè)置了保護電路，以保證通信電源的運行穩(wěn)定性。同時為了實現(xiàn)自動化控制，分別在原邊、副邊接入單片機，通過電源管理總線（Power Management Bus，PMBus）進行監(jiān)控，通信電源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 通信電源系統(tǒng)框架

2 有源功率因數(shù)校正電路拓撲設(shè)計

本次設(shè)計的通信電源系統(tǒng)采用Boost型有源功率因數(shù)校正電路，其電路原理如圖2所示。

圖2 Boost型有源功率因數(shù)校正電路

按照不同的電感電流類型，Boost型有源功率因數(shù)校正電路工作模式可分為連續(xù)電流模式、斷續(xù)電流模式、臨界連續(xù)模式。這3種模式各有優(yōu)劣，適用于不同的場景[3]。連續(xù)電流模式（Continuous Current Mode，CCM）工作模式的電感電流始終非零，電流比較平穩(wěn)，適用于功率不低于250 W的電路。因此，本次設(shè)計的通信電源Boost型有源功率因數(shù)校正電路采用CCM模式。在該模式下，接通開關(guān)Q，輸入電壓為Uin，開關(guān)Q、電感L形成回路。輸入電壓Uin對電感L充電，L的線圈做左加右減，電流線性增加，輸入電壓Uin未輸出能量，負載能量來自電容器C中。斷開開關(guān)Q，輸入電壓Uin向負載輸出能量，同時電感也向負載傳遞能量，并為電容器充電，此時輸出電壓UO大于Uin，并開始下一個周期。Boost型有源功率因數(shù)校正電路功率因數(shù)高，輸入電流是連續(xù)的。由于開關(guān)管Q的驅(qū)動信號與輸出共地，電感L的電流電與輸入電流回路相同，因此可以通過控制電感L的電流控制Boost型有源功率因數(shù)校正電路的輸入電流。

3 DC/DC諧振變換電路拓撲設(shè)計

本次設(shè)計的主要目的是有效提高通信電源的運行效率與可靠性，更好地滿足人們的通信需求，僅有低損耗、低線壓功率的功率管無法滿足這一需求，因此需要從更有效的電路拓撲入手[4]。目前應(yīng)用廣泛的諧振變換器可以實現(xiàn)電壓或電流周期性過零，從而實現(xiàn)軟開關(guān)，最終達到降低開關(guān)損耗，提高變換器效率的目的。因此，本次設(shè)計的通信電源系統(tǒng)選用LLC半橋諧振式變換器作為主要變換器，其電路基本原理如圖3所示。

圖3 LLC半橋諧振變換電路原理

LLC半橋諧振變換器的優(yōu)點主要包括以下幾點[5]。一是即使負載波動很大，LLC半橋諧振變換器的開關(guān)管也能支持零電壓開通，開關(guān)管開通損耗更低；二是LLC半橋諧振變換器輸入電壓較高時，開關(guān)線損依然可以保持較低水平；三是變壓器副邊整流二極管可實現(xiàn)零電流關(guān)斷，降低了二極管反向恢復(fù)造成的關(guān)斷損耗；四是LLC半橋諧振變換器可通過磁集成技術(shù)將諧振和勵磁電感參數(shù)集中在變壓器上，從而達到縮小磁性元件體積的目的。

LLC半橋諧振變換器存在兩個諧振頻率。一個是電容Cr、電感Lr參與諧振，勵磁電感不參與諧振，此時諧振頻率為fr；另一個是電容器Cr、電感Lr、勵磁電感Lm共同參與諧振，此時諧振頻率為fm。兩種諧振頻率的計算公式為：

當開關(guān)頻率fs＞fm時，MOS管工作在LLC電壓增益曲線ZVS范圍內(nèi)，此時MOS管開關(guān)損耗比工作在ZCS區(qū)域時小。當負載較低時，LLC半橋諧振變換器的開關(guān)頻率幾乎沒有變化，即使沒有負載的情況下LLC半橋諧振變換器也可以做到零電壓開關(guān)。當開關(guān)頻率處于fm＜fs＜fr時，LLC半橋諧振變換器基本運行過程如下。

圖4 LLC半橋諧振變換器基本階段一

（1）階段一（t0-t1）。如圖4所示，t0時，開關(guān)Q2關(guān)斷，此時輸入電壓為母線電壓Um，諧振電流ir大于激勵電流im；二極管Q1接通，諧振電流ir增大，而負載兩端電壓不變，勵磁電感Lm兩端電壓也不變；im繼續(xù)增大，此時只有電容Cr、電感Lr參與諧振，能量回流到輸入端，諧振電流為正弦波形，當諧振電流上升到零時，進入階段二。

（2）階段二（t1-t2）。：如圖5所示，該階段諧振電流ir從負到正，此時開關(guān)管Q1上加一個柵極導(dǎo)通信號，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，整流管D1導(dǎo)通。變壓器原邊電壓鉗位，勵磁電感Lm充電，不參與諧振，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出，諧振振電流等于勵磁電流im和整流管D1不輸出電流。

圖5 LLC半橋諧振變換器基本階段二

（3）階段三（t2-t3）。該階段開關(guān)管均斷開，變換器處于死區(qū)狀態(tài)，但初級諧振電流ir和勵磁電感電流im保持不變，電容向負載輸出能量。此時，開關(guān)管Q1的寄生電容充電，使Q1兩端電壓上升到Un，Q2的寄生電容放電，Q2兩端電壓降至零，Q2體二極管導(dǎo)通。

（4）階段四（t3-t4）。該階段的開關(guān)管均保持斷開，但Q2中體二極管接通，Q2零電壓接通。此時勵磁電感Lm的電壓反向，次級整流二極管導(dǎo)通，初級諧振電流流過勵磁電感Lm、體二極管。諧振電流ir小于im，此時開關(guān)管Q2接通。

（5）階段五（t4-t5）。t4時刻，開關(guān)管Q1依然保持斷開，Q2體二極管接通，為Q2導(dǎo)通創(chuàng)造條件。整流管D2接通，此時原邊電壓上負下正，Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，能量由輸入傳遞到輸出端。t5時，諧振電流降為零，此階段結(jié)束。

（6）階段六（t5-t6）。t5時，開關(guān)管保持斷開，整流管D2接通，變壓器初級繞組關(guān)斷。電壓被鉗位，勵磁電感用這個電壓線性充電，不參與諧振，能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出。t6時，ir=im，整流管D2電流為零。

（7）階段七（t6-t7）。在t6時，ir=im，流過變壓器原邊的電流為零，此時勵磁電感不被輸出電壓鉗，參與諧振，整流管均不接通，輸出電容器為負載提供能量。至此，開關(guān)管Q2在t7時斷開，該階段結(jié)束。

（8）階段八（t7-t8）。在t7時刻，開關(guān)管均斷開，但Q1可實現(xiàn)零電壓切換。諧振電流ir逐漸增大，整流管接通，能量經(jīng)變壓器傳遞給負載。t8時，諧振流量從負轉(zhuǎn)正，階段結(jié)束后回到t0。

4 結(jié) 論

針對LLC半橋諧振通信電源電路進行設(shè)計，提出有效功率因數(shù)校正電路+DC/DC軟開關(guān)諧振變換器的設(shè)計方案。諧振電感、諧振電容的運用實現(xiàn)了軟開關(guān)功能，LLC諧振變換器的運用大大提高了整個系統(tǒng)的運行效率和可靠性。通過控制開關(guān)頻率處于適當區(qū)間（fm＜fs＜fr）實現(xiàn)原邊功率管的零電壓斷開與接通，從而提高通信電源系統(tǒng)運行效率。