关于LLC短路测试的解决方法

短路测试作为电源开发的必经之路，正在看此文的开发工程师们是不是最怕“吃鸡”?

别慌!今天，拥有数十年工作(背锅)经验的茂睿芯开发工程师现身说法，和大家聊聊几个常见导致“炸鸡”的原因，顺便教大家3招!

Share Part

一、考虑开关管的选型

开关管作为LLC最重要的组成硬件，需要在导通时流过较大脉冲电流，所以必须确保它在没有任何损坏风险的情况下工作。那么为了确保开关管的可靠性，就需要在进行开关管选型时，因地制宜地考虑它能承受的最大脉冲电流、SOA区域以及体二极管性能。选型之所以要考虑体二极管，是因为在短路时也会有很大电流从体二极管流过，特别是短路后进入到容性区域工作，如果体二极管的反向恢复性能较差，就会存在反向恢复所产生的电压应力问题，可能会导致“炸鸡”。

(图1 短路测试时开关管失效时的电流波形图)

图1是开机后短路测试时的开关管失效电流波形。Y轴是每20A一格，在短路后，电流波形左起在第5个周期处已经接近到40A，最后一个波形处先负25A后正40A的电流流过开关管，在不到5us内，流过开关管的电流高达70A，因为电流过大而导致开关管的损坏。所以在考虑开关管选型时，需要了解当短路发生时，开关管需要承受的短时间最大脉冲电流，以及容区工作时反向恢复的问题。

二、考虑谐振电感的饱和

谐振电感相信大家都不陌生，一般情况下，它是采用铁氧体材质的磁芯加入气隙来绕线制成电感来进行使用，要求铁氧体磁芯的磁通密度在极限时不超出0.36T。考虑到短路时谐振电流可能要比正常工作时的电流大2倍多，因此建议在稳态工作时磁芯的磁通密度不要高于0.18T，为过流和短路时留出足够的安全余量。另外还有一种流行的设计方法是，使用粉芯材质(高频低损耗类型的磁粉芯材料)来做谐振电感，这样气隙分散，也有利于散热处理。由于磁粉芯材质的磁通饱和密度较之铁氧体材质会大很多，因此在过流和短路工况时，使用磁粉芯制成的电感会比铁氧体材质的电感在系统上具有更高的可靠性。

曾经某一位茂睿芯工程师在做短路测试时，出现流过电感的电流达到70A，而且控制器的开关频率已经在快速拉升，正常情况下电流应该得到控制，但是实际测试发现谐振电流在5个开关周期已经爬升至70A，最后发现这是由于谐振电感饱和而引起。即使控制器在努力提升频率加大谐振腔的阻抗，但谐振电感已经饱和而不再具有电感特性，也就不能阻碍流过的电流。所以在设计谐振电感时，需要仔细考虑短路时谐振电感饱和的问题，避免“炸鸡”。

三、考虑控制器的短路保护策略

图2是茂睿芯MK2189内部功能框图，其中Isen引脚内部有两个比较器用作过流和短路保护，SS引脚内部有120Ω电阻为CSS电容放电，在过流和短路保护策略中主要是使用这两个引脚的功能。

(图2 MK2189功能框图)

控制器的Isen引脚持续监测谐振电流平均值，它的保护策略是每当该引脚的电压高于0.8V时，SS引脚内部会使用120Ω电阻为CSS电容放电，让CSS的电压开始下降，同时软起动频率设定电阻RSS同步拉RF引脚电流，使开关频率提升起来。此时谐振腔因为开关频率的拉升而阻抗变大，从而使得整个谐振腔的电流得到降低，直到CS引脚的电压低于0.75V后SS引脚停止为CSS电容放电，系统工作频率恢复到由反馈控制。 除此以外，为了防止绕组短路或次级整流开关失效，Isen引脚电压会快速爬升至1.5V以上使控制器直接关闭PWM输出，进入到故障重启流程从而避免“炸鸡”。

(图3 电流采样原理图)

在实际应用工程中，往往是通过感测谐振电容电压从而提取谐振电流信号，之后再将其使用低通滤波得到谐振电流平均值。那么会出现两种情况，第一种是滤波器的时间常数太慢会导致过流保护响应不及时，而另一种则是太快又容易被浪涌电流触发导致输出电压不稳。关于这个滤波器时间常数的设计经验值参考从短路开始到第4~6个开关周期后控器能够执行过流或短路保护即可。

(图4 短路保护时谐振电流波形图)

图4是短路保护测试时的一个波形图，可以看到从短路发生到电流受到控制共耗时5个开关周期，用时约50us，电流最大值为33.6A(属于26NM60DM2的可靠工作区域)。这种直接低阻抗短接输出正负还不算是LLC短路测试时最严峻的情况，更恶劣的情况是使输出正负处于短路和非短路之间跳火的状态(比如使用锉刀摩擦正负端子)，这相当于在挑战电流低通滤波器、控制器、开关管、谐振电感和输出整流器的可靠运行区域，在此种情况下短路保护依然能可靠执行，那该电源的设计即使在短路工况下也不会“炸鸡”。

以上3点关于LLC短路测试的解决方法希望能给到工程师们一些启示，同时欢迎大家批评指正，一起沟通行业相关知识，共同进步!

审核编辑：汤梓红