谐振回路的工作原理

LLC谐振电路工作原理及参数设计

1.工作原理

1)谐振电容C_r在开关周期的开始阶段，通过二极管D_r充电。

2)开关管S1和S2断开，电感L和电容C形成谐振回路。当电感L储存能量时，将电压施加到电容C_r上，将其放电。

3)当电感L中的能量耗尽后，电感L开始向电源充电，并且二极管D_r反向加电脉冲。

4)开关管S1和S2闭合，电感L和电容C保持在回路中，同时谐振电容C_r充电。

5)重复上述过程。

-高效率：由于谐振电容C_r的存在，电路的开关损耗减少，使得效率提高。

-高可靠性：谐振电容C_r能够吸收开关管压降的反冲电压，降低了开关管的电压应力。

-高功率密度：由于高效率和高可靠性，LLC谐振电路的功率密度较高。

2.参数设计

2.1.谐振频率（f_r）

谐振电感L和电容C以及谐振电容C_r共同决定了谐振频率。谐振频率应根据具体应用需求来选择，一般在10kHz至1MHz之间。 2.2.谐振电容（C_r）

谐振电容C_r的选择应根据应用中电路的输入电压和电流来决定。通常情况下，谐振电容为输入电流的几倍。

2.3.能量传输比（η）

能量传输比是LLC谐振电路的另一个重要参数，它表征了能量从输入到输出的传输效率。能量传输比的设计应考虑到开关管和电容的损耗以及电感的耗能。

2.4. 开关频率（f_sw）

开关频率的选择应根据设计的功率和谐振频率来决定。高频率有助于提高功率密度，但也会增加开关损耗。

2.5.触发角度（α）

触发角度控制开关管的导通时间，决定了电路的输出功率。合适的触发角度可以减小开关管的开关损耗，提高电路的效率。

综上所述，LLC谐振电路通过合理的参数设计，可以实现高效率、高可靠性和高功率密度的电力转换。设计者在实际应用中需要根据具体需求来确定谐振频率、谐振电容、能量传输比、开关频率和触发角度等参数。

4．主开关电源电路

（1）LLC谐振转换器工作原理

随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已推出了不少高效率的电路，尤其是谐振型的软开关电源和PWM型的软开关电源。近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻、寄生电容和反向恢复时间越来越小，这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。

对于谐振变换器来说，如果设计得当，能实现软开关变换，从而使得开关电源具有较高的效率。LLC谐振变换器实际上来源于不对称半桥电路，后者用调宽型（PWM）控制，而LLC谐振是调频型（PFM）。

LLC谐振电路简图如图10所示，工作波形图如图11所示。电路中有两只功率MOs管（S1和S2），其工作的占空比均为0.5。谐振电容为Cs。 Tr为匝数相等的中心抽头变压器，其漏感为Ls，激磁电感为Lm（Lm在某个时间段也是一个谐振电感）。从图11中不难看出，在LLC谐振变换器中，谐振元件主要由谐振电容Cs、电感Ls和激磁电感Lm组成，LLC变换器的稳态工作原理如下：

当t=t1时，S2关断，谐振电流给S1的寄生电容放电，一直到S1上的电压为零，然后S1的体内二极管导通。此阶段D1导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此只有Ls和Cs参与谐振。

当t=t2时，S1在零电压的条件下导通，变压器原边承受正向电压；D1继续导通，S2及D2截止。此时Cs和Ls参与谐振，而Lm不参与谐振。

当t =t3时，S1仍然导通，而D1与D2处于关断状态，T：副边与电路脱开，此时Lm， Ls和Cs一起参与谐振。由于实际电路中Lm>>Ls，因此在这个阶段中，可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。

当t=t4时，S1关断，谐振电流给S2的寄生电容放电，一直到S2上的电压为零，然后S2的体内二极管导通。此阶段D2导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此只有Ls和Cs参与谐振。

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谐振就是电路中既有感性原件又有容性原件，感性原件是通直流阻交流，容性原件是通交流阻直流，物理上用相位来描述，感性原件和容性原件的相位正好相反，而感性原件和容性原件在电路中呈现的阻性在某个频率下会相等，及大小相等，方向相反，这样的电路称为谐振电路，该频率称为谐振频率。

在ＲＬＣ串联电路中，若接入一个输出电压幅值一定，输出频率f连续可调的正弦交流信号源，则电路中的许多参数将随着信号源的频率的变化而变化，即电路阻抗Ｚ，回路电流Ｉ，电流与信号源电压之间的相位差φ分别为

Z=[R2+(ZL-ZC)2]1/2=[R2+(ωL-1/ωC)2]1/2

I=U/Z=U/[R2+(ωL-1/ωC)2]1/2

φ=arctan[(ωL-1/ωC)/r]

上述三个式子中，信号源角频率ω=2пf，容抗Zc=1/ωC，感抗ZL = ωL，各参数随ω的变化而变化。ω很小时，电路总阻抗Z=[R2+(1/ωC)2]1/2，φ→π/2电流的相位超前与信号源电压相位，整个电路呈容性；ω很大时，Z=[R2+(ωL)2]1/2，φ→-π/2，电流相位滞后与信号源电压相位，整个电路呈感性；当容抗等于感抗，相互抵消时，电路总阻抗Ｚ＝Ｒ，为最小值，此时回路电流为最大值Imax=U/R，相位差φ=0，整个电路呈阻性，这个现象即为谐振现象。发生谐振时的频率fo称为谐振频率，角频率ωo称为谐振角频率，它们之间的关系为

ω=ω0=(1/LC) 1/2 或 fo=ω0/2π=1/[2π(LC) 1/2]

谐振时，电感Ｌ上的电压UL与信号源输出电压Ｕ之比为Ｑ，称为电路的品质因数，Ｑ反映谐振电路的固有性质。

Q=ZL/R=ZC/R=UL/U=UC/U=1/ω0RC=ω/R=1/R(L/C) 1/2，UL或Uc均为电源电压Ｕ的Ｑ倍。通常Ｑ>>1，所以UL或Uc可以比Ｕ大得多，故此有称串联谐振为电压谐振。

当电压方波作用于LC 串联回路时，方波的前后沿都会对LC 串联回路产生激励(即接收能量)，每次激励过后又会产生阻尼振荡(即损耗能量)，当输入电压波形的上升率dv/dt 值大于谐振回路波形(正弦波)的上升率时，电路就会产生激励；当输入电压波形的上升率dv/dt

值小于谐振回路波形的上升率时，电路就会产生阻尼。

由于每次激励过后振荡回路的能量还没有损耗完，紧接着又来一次新的激励，使振荡电压一次、又一次地进行叠加，如果激励的相位与振荡波形的相位能保持同步，则振荡电压的幅度会越来越高，直到激励的能量与电路损耗的能量相等为止。

因此，当谐振回路的品质因数Q 值很高时，谐振电压也可以升得很高，理想的情况是Q 值无限高(即天线没有损耗)，则产生谐振电压的幅度也会升得无限高，但这种情况是不存在的。

LC 串联回路产生谐振时的电压幅度与激励波形的相位密切相关，而与激励波形的幅度反而相关不是特别大。另外还需指出，测试用的接收天线还分电场感应电线和磁场感应天线，还有电磁场感应天线。

实际应用中天线是不具体区分接收天线和发射天线的，两者都可以同用一根天线。因此，电路中任何带电的导体或有电流流过的导体都可以看成是发射天线。

电子设备产生辐射干扰的大小除了干扰信号幅度之外，还与感应电容C1、C2 的大小有关，即：与电场辐射的面积有关(电容与面积大小成正比)，与磁场辐射的面积也有关，因此，尽量减小干扰信号的辐射面积是一种降低辐射干扰的好办法。