LLC谐振回路电流 (tank current) 分析与测量之二

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        3谐振回路电流测量方法
       
        要求电流波形时，可使用三种方法来测量电流。
       
        小容限功率电阻电流变换器（CT）
       
        直接通过电流探针来测量谐振回路电流
       
        第一种方法是小容限功率电阻，其与谐振回路中的其它组件串联。这种电阻必须拥有高分辨率和良好的温度性能。正常情况下，谐振回路通过一个端子连接接地，这样可以减少测量的共模噪声。另外，它还是一种测量谐振回路电流的简单方法。但是，它会增加功耗，特别是在强电流条件下。另一方面，它改变了谐振参数，并使其偏离初始设计。同时，由于要求高性能，因此它的成本价格也很高。
       
        图4电流变换器等效模型
       
        第二种方法是电流变换器（CT），其一次侧与谐振回路串联。相比功率电阻（第一种方法），这种方法的电阻较低，并且其功耗也低于功率电阻方法。另外，相比谐振回路的Lr和Lm，CT的磁电感小到可以忽略不计。但是，由于许多寄生参数原因，CT并非是一种最佳解决方案。图4显示了CT的等效模型。由于二次漏电感远大于一次漏电感，因此漏电感设置在二次侧。
       
        图4中：Cps为一次线圈和二次线圈之间的寄生电容。
       
        Cp为一次侧的寄生电容。
       
        Cs为二次侧的寄生电容。
       
        Lm为CT的磁电感。
       
        R为采样电阻。
       
        当使用硬开关开启或者关闭MOSFET时，电路状态立刻剧烈变化。这时，产生大量的开关噪声。这种噪声通过Cps耦合到CT的二次侧。另外，噪声还流经Cp和Cs.Lm和Lleak也受到影响。如果使用通用电压探针来测量R的电压，则通常会出现一个高电压峰值；但是，如果使用差分电压探针，则Cps耦合的共模噪声被消除，并且仅剩下差模噪声。电压峰值得到了有效降低。然而，差模电压探针测量的波形仍非真正的电流波形。
       
        第三种方法是直接使用电流探针测量谐振回路电流。正常情况下，电流探针拥有较高的带宽，足以进行电源系统检测。例如，Tektronix设计的TCP202便是一种DC耦合电流探针，其拥有高达50MHz的DC带宽。LLC谐振回路电流频率为100kHz.电流探针具有较高的性能，可以显示近似真实的电流波形。只需要一条短线，把它与回路中的其它组件串联在一起，这样便组成了一个最低成本的电流波形观察方法。但是，电流探针测量的电流信号不能用于其它目的，例如：回路控制、保护电路等。
       
        UCC25600 300W EVM演示了前面的分析。图5中，使用不同方法对谐振回路电流进行测量。CH2和CH3均由CT测量，差别是，"差分"电压探针用于对CH2中CT输出端的电压信号进行采样，而"共模"电压探针则用于对CH3中CT输出端的电压信号进行采样。CH4通过电流探针直接测量。图5（b）和5（c）中，单独测量CH2和CH3，但在图5（d）中，同时对它们进行测量。在图5（a）中，相比CH4，可在CH3中看到大电流脉冲，其为严重噪声。在图5（b）和图5（c）中，相比CH3，CH2的电流脉冲得到极大降低，因为消除了共模噪声；但是，差模噪声仍然存在，因此CH2的电流脉冲大于CH4.在图5（d）中，CH2和CH3同时被测量，因为在内部示波器，所有示波器探针接地均连接。CH3的共模噪声会影响CH2.图5（d）中CH2和CH3的波形相同，其表明在图5（b）和图5（c）中，CH3和CH2的共模噪声结果相同。
       
       
        图5使用不同方法对谐振回路电流进行测量
       
        根据实验结果，前述分析得到了证实。在低电流条件下使用功率电阻方法，而采样电流信号可用于实现其它功能。在高电流条件下使用CT，采样电流信号可用于实现其它功能。如果给CT添加补偿和滤波器，则效果更好。在所有情况下都可以使用电流探针，但其采样电流信号不可以用于其它功能。
       
        请注意：推荐使用小范围电流探针来测量低电流。同样，推荐使用大范围电流探针来测量高电流。
       
        4实验
       
        为了验证第2小节的分析结果，我们使用TI的LLC谐振半桥转换器300W评估模件来获得7组数据。所有参数均经过设计和优化，Lr = 55 ？H、Lm = 280 ？H、Cr = 24 nF、Cs1 = 340 pF，并且必须测量出Vin， VCr和ILr.
       
        图6显示了谐振回路电流、DS电压和VCr（ZVS期间波形），其中，CH2为谐振回路电流波形。在图6（a）中，CH1为DS电压波形。在图6（b）中，CH1为Cr波形的电压。通过电流探针测量谐振回路电流，并使用差分电压探针来测量DS电压和Cr电压。
       
        表1列出了所有数据：ILr1为ZVS之初ILr的值，ILr2为ZVS结束时ILr的值，而ΔIcal则为通过方程式13到方程20计算的结果。由于这些方程式都太复杂，因此我们使用Mathcad来简化计算。对比ΔI和ΔIcal我们可以知道，ΔIcal接近于ΔI，这表明第2小节中参考文献「3」的分析是正确和合理的。ΔIcal和ΔI的差值由寄生参数和测量误差所造成。
       
       
        图6谐振回路电流、DS电压及ZVS期间VCr波形
        表1参数值
       
       
        5结论
       
        LLC可以提供宽输入电压范围的高效率。我们分析了LLC的谐振回路电流，并通过大量方程式说明了所有电能参数的关系。文章讨论了三种电流测量方法及其应用、优点和缺点。实验结果证明了分析的正确性。
       
        参考文献
       
        「1」《宽负载范围LLC谐振转换器的高效率优化》，作者：Ya Liu.美国弗吉尼亚州布莱克斯堡：2007年弗吉尼亚理工学院及州立大学硕士学位论文。
       
        「2」《8引脚高性能谐振模式控制器》。2008年9月《TI UCC25600产品说明书》（SLUS846B），2011年7月修订。
       
        「3」LLC谐振半桥转换器300W评估模块。2009年4月《TI用户指南》（SLUU361）。