设计用于音频应用的LLC谐振转换器

作者： Giovanni Maria，来源： EDN电子技术设计微信公众号

对于设计人员来说，音频领域的功率转换设计是一个真正的技术挑战，因为峰值负载可能远高于均方根(RMS)功率要求。他们必须在散热要求、解决方案的尺寸和重量、成本，当然还有效率之间取得一个最佳平衡。

1. 高功率音频

如今，具有高峰值负载的高功率音频应用相当常见的选择就是LLC谐振转换器。这种类型的转换器具有许多优点，例如比其他解决方案更高的效率和可靠性。它是一种由三个电抗元件组成的功率转换器，利用线圈和电容器之间的谐振，并通过在特定频率(称为谐振频率)的振荡来实现高效的功率转换。

要设计用于音频应用的LLC谐振转换器，有一些重要因素需要考虑。首先，必须根据应用的规格仔细选择电路的谐振频率。电感器和电容器必须根据应用的功率和所需的谐振频率来选择，并且必须具有最高的质量。线圈必须具有足够高的电感，以避免在负载电流峰值时出现磁芯饱和效应，而电容器必须能够处理电路的电压和电流。留意图1中的音轨，其中突出显示了音轨的几个元素，其中包括：

RMS音频电平：RMS音频电平表示音频信号在时域中的有效幅度。它通常用于表示音频信号的真实电平，因为它同时考虑了信号的正负振幅。RMS音频电平通常以相对于功率参考的分贝表示。这个电平很重要，因为它代表音频信号的实际功率。

峰值音频电平：峰值音频电平表示音频信号在时域中的最大幅度值。它是最大的瞬时音频功率，表示给定时间段内信号达到的最高峰值点。峰值电平通常以相对于幅度参考的分贝为单位来衡量。峰值是信号最大幅度的指标，可用于避免音频信号的失真或削波。测量峰值音频电平对于确保信号不超过可接受的幅度限制，并避免扬声器或播放设备出现不必要的失真或损坏非常重要。

波峰因数：音频中的波峰因数是指示音频信号的峰值电平和RMS电平之间差距的度量。它的计算方法是将音频信号的峰值除以其RMS值。例如，如果信号的峰值为2V，其RMS值为1V，则波峰因数等于2。波峰因数很重要，因为它提供了有关音频信号动态的信息。高波峰因数表示峰值和RMS电平之间存在较大差异，表明信号具有更大的动态并且可能包含高幅度的瞬态或峰值。相反，低波峰因数表示较低的动态以及更压缩或更有限的信号。高波峰因数需要采用与低波峰因数不同的方法来管理信号动态，并确保信号本身保持在可接受的范围内，没有不必要的失真或削波。

图1：峰值音频电平和RMS音频电平之间的关系

对电源的基本要求是它们必须能够瞬间支持数倍于额定负载的峰值负载。尽管这种情况可能很少发生，但供电系统必须为这种可能性做好准备。下面列出了不同类型声音的波峰因数常规测量值：

环境噪音：3:1

演讲：4:1

具有峰值电平压缩的音乐：4:1至8:1

无峰值电平压缩的音乐：8:1至10:1

电影音频：>10:1

如果电源的输出电压在峰值负载瞬态期间过度下降，则会发生削波(参见图2中的波形图)，并且由于许多声音信息被剪切，导致音频完全失真。此外，不良影响不仅涉及声音，还涉及系统的电子部分，特别是：

由于超低音扬声器(低音炮)的机械限制，其面临很大的危险。如果扬声器的振动超出预期，音盆和线圈都可能损坏。

低音炮或高音扬声器本身可能会由于通过音频线的高能量而过热。

声音再现高度失真，因为上、下峰值的音频信号被剪切。

有一个强大的电源是对电路的基本要求，必须将其输出电压保持在一个精确的过冲和下冲限度内。在过去，尽管电子管系统效率非常低(实质上，产生了大量未使用的热量)，却很少出现音频信号失真，要么是因为高电压，要么是因为电源。

图2：电源不足可能会导致削波。

目前一些常用的关于最佳音频电源的解决方案包括采用更大比例的PCB占用面积，或通过使用更高的开关频率和更小的磁性元件来减小电路的尺寸。

2. 具体来看看LLC

如前所述，在音频领域实施LLC解决方案需要电源和音频工程师之间的全面协作和沟通。在设计电源之前，有必要指定音频放大器能够处理的连续功率和峰值功率。峰值功率与连续功率的比率(如上表所示)取决于具体应用，因此需要在设计之初就明确定义。

LLC串联谐振转换器(LLC-SRC)是LLC谐振转换器的特定配置，用作隔离式DC/DC转换器。在LLC-SRC配置中，LLC转换器(见图3)与一个变压器和一个整流二极管串联，以实现转换器输入和输出之间的电气隔离。变压器能够根据应用的需要来增加或减少输入电压。

这种配置有几个优点。首先，它通过利用线圈和电容器之间的谐振来提供高效率，从而降低开关损耗。此外，变压器提供的电气隔离允许转换器的输入和输出分离，从而保护控制电路并允许调整变压器变比。从增益响应曲线图中可以看出，根据开关频率的不同，存在三种不同的情况。

如果开关频率小于谐振频率：

次级进行DCM操作

软开关整流器(ZCS)

在给定功率下有更高的RMS电流

如果开关频率等于谐振频率：

限制次级DCM/CCM操作

软开关整流器(ZCS)

最佳效率点

如果开关频率大于谐振频率：

次级进行CCM操作

整流器的反向恢复

给定功率下有低RMS电流

因此，理想的目标是在额定负载下接近谐振频率运行，并在峰值负载期间低于谐振频率。一旦定义了设计规范，就可以继续进行电源的设计。根据地区和应用的电源质量标准，电源设计可能需要一个带功率因数校正功能的电源。第一个关键设计步骤是选择谐振电路元件来设置谐振频率并确定增益的特性。在此阶段，输出电压必须足以使系统在峰值功率水平下运行。如果电路无法实现所需的增益，输出电压将在功率峰值期间下降，进而降低音频质量或使放大器失效。峰值功率的持续时间可能相当长，所以电源必须能够连续供应整个峰值负载。

图3：LLC谐振变换器原理图

工作的关键阶段恰好是在峰值功率信号期间，因此使用能够处理此类电流的一流元件非常重要，并且磁铁不得饱和。另一方面，在连续供电期间，元件必须确保其额定的热性能。设计一个适合散热的PCB通常比设计散热器更方便。LLC-SRC通常设计为突发模式，以确保轻负载下的效率，并让待机功率满足行业标准。这样可以在不关闭主输出的情况下降低待机功耗。

结论
谐振转换器的设计非常具有挑战性，特别是当它们与音频系统一起使用时。它们是具有高峰值负载的高功率音乐应用的有效解决方案。设计LLC谐振转换器需要明智地选择谐振频率，根据应用规范正确选择线圈和电容器，并设计相位控制来处理峰值负载。LLC谐振转换器的正确设计可确保应用高效可靠地运行，即使它非常复杂。应始终考虑到音频放大器的效率，因为其损耗会导致电源上的负载增加。

审核编辑 黄宇