基于LLC_谐振式高效率通信电源的设计与应用分析

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随着通信技术的不断发展，系统设施对通信电源的要求也越来越高。

传统的开关电源由于其开关频率固定，因此在输出电流变化时会产生大量的开关损耗和电磁干扰，同时也会影响输出电压的稳定性。

为了解决这些问题，LLC 谐振变换器逐渐成为备受关注的电源设计方案。

该方案通过控制开关频率来实现输出电压的恒定，同时具有零电压开通和零电流关断的特点，可以大大降低开关损耗和电磁干扰。

因此，本文基于LLC 谐振变换器，设计了一种高效率通信电源，并对其进行了仿真和实验验证。

一、LLC 谐振变换器的原理和特点（一）LLC 谐振变换器的原理
LLC 谐振变换器（LLC Resonant Converter）是一种基于LLC 谐振式高效率通信电源的 
设计与应用分析
阎晓璟（1986.04-），女，汉族，山西太原，本科，中级工程师，研究方向：通信工程。

摘要：本文以LLC 谐振变换器为基础，设计了一种高效率通信电源，并进行了仿真和实验验证。

首先，介绍了LLC 谐振变换器的基本结构和工作原理，重点阐述了其优点和特点。

然后，详细讨论了电源设计的流程和关键技术以及LLC 谐振变换器在通信电源中的应用。

最后，具体设计案例和实验结果分析表明，所设计的通信电源具有高效率、稳定性和可靠性等优点，达到了设计要求。

关键词：LLC 谐振变换器；通信电源；高效率；稳定性；可靠性
基于谐振电路实现电源转换的技术。

与传统的电源变换器不同，LLC 谐振变换器采用的是无极性电容和电感器，具有高效率、低电磁干扰（EMI）和宽输入输出电压范围等优点，被广泛应用于高性能电源等领域[1]。

在LLC 谐振变换器中，控制器通过调节开关频率来控制输出电压，其中，控制器包含一个MOSFET 开关和一个驱动电路。

当MOSFET 开关关闭时，变压器中的励磁电流开始增加，同时将能量存储在谐振电容和谐振电感中；当MOSFET 开关开启时，励磁电流减小，能量从谐振电容和谐振电感中释放并传递到输出负载上[2]。

谐振网络中的谐振电容和谐振电感会产生一个谐振频率，这个频率与输出电压有关，因此，通过控制开关频率就可以控制输出电压。

图1是一张LLC
谐振变换器的示意图。

图1 LLC 谐振变换器的示意图
其中，C和L是谐振电容和谐振电感，开关网络使用MOSFET开关，D是输出整流二极管。

当MOSFET开关关闭时，励磁电流iM开始增加，同时将能量存储在C 和L中，此时，C和L组成的谐振网络开始振荡，产生一个谐振频率；当MOSFET开关开启时，励磁电流iM 减小，能量从C和L中释放并传递到输出负载上，此时，D开始导通，输出电压开始增加。

在这个过程中，C和L组成的谐振网络继续振荡，直到下一个开关周期开始。

（二）LLC谐振变换器的特点
LLC谐振变换器具有以下优点和特点：
高效率：LLC谐振变换器能够实现ZVS和ZCS，从而降低开关损耗和EMI，提高转换效率，节约能源。

低EMI噪声：LLC谐振变换器采用谐振电路，在工作过程中产生的EMI噪声比传统的变换器要低很多。

宽输入输出电压范围：LLC谐振变换器能够适应不同电压等级的电源转换，具有很高的适应性。

控制和稳定性强：LLC谐振变换器采用先进的控制算法和反馈机制，具有很强的控制和稳定性。

综上所述，LLC谐振变换器具有高效率、低EMI、宽输入输出电压范围等优点，因此被广泛应用于高性能电源等领域[3]。

二、LLC谐振式高效率通信电源设计
（一）电源设计流程和关键技术
电源设计流程和关键技术是设计LLC谐振式高效率通信电源的基础。

电源设计流程包括需求分析、拓扑选择、元器件选择和电路设计等步骤。

第一步，在需求分析阶段，需要明确电源的输入电压、输出电压、输出电流、效率等参数要求。

第二步，在拓扑选择阶段，需要选择合适的拓扑结构，包括LLC谐振变换器、降压、升压、反激等。

第三步，在元器件选择阶段，需要选择适合设计要求的电感、电容、MOS管等元器件。

第四步，在电路设计阶段，需要根据电路原理图进行布局和连线，以确保电路性能和可靠性。

电源设计的关键技术包括：LLC谐振变换器的控制技术：LLC谐振变换器的控制技术是实现高效率和稳定性的关键。

控制技术包括电压控制、频率控制和相位控制。

其中，电压控制是通过PWM控制器实现的，频率和相位控制是通过变压器的励磁电感和电容实现的。

在控制技术中，需要考虑转换器的开关频率、电感、电容和负载等参数的影响。

电路布局和EMI设计：电路布局和EMI设计是保证电路性能和可靠性的关键。

电路布局要求MOSFET、电感、电容等元器件的布局合理，同时减少开关环和共模干扰。

EMI设计要求减少电磁干扰的影响，包括对电源输入端和输出端进行滤波、阻抗匹配等措施。

电源管理技术：电源管理技术包括电源开关、保护、自适应调节等技术。

在电源开关技术中，要求开关的效率高、损耗小、寿命长。

在保护技术中，要求保护电路能够检测和保护过流、过压、过温等故障[4]。

在自适应调节技术中，要求电源能够根据负载的变化实现输出电压的稳定调节。

以上关键技术的综合应用，可以实现LLC谐振式高效率通信电源的设计和制造。

（二）LLC谐振变换器参数计算
1.谐振电容（Cr）
谐振电容是根据输入电压、输出电压、电感和谐振频率计算得到的，可以使用下面的公式计算：
Cr = 1/(4π2f2L) （1）其中，f是谐振频率，L是变压器的电感。

通常情况下，Lr是已知的，可以通过电路设计和实验测量获得。

根据实际需求，选择合适的Lr，然后通过上述公式计算出合适的Cr值。

在实际电路中，Cr的值可以通过串联或并联多个电容器的方式来实现[5]。

需要注意的是，Cr的选择要符合变换器的工作频率要求，并且在选择电容器时要考虑其额定电压和容量。

如果选择不当，可能会导致电容器的失效或者对系统的性能造成负面影响。

举例来说，如果变换器的工作频率为100kHz，谐振电路中的谐振电感为10uH，那么根据上述公式可以计算得到Cr的值为40.06nF。

如果选用一组25V/47nF 的电容器进行串联，则可以得到一个合适的Cr电容。

2.谐振电感（Lr）
在LLC谐振变换器中，谐振电感（Lr）是由变压器中的漏感和电容构成的。

Lr的大小决定了LLC谐振变换器的输出特性，因此需要根据设计要求进行精确计算。

Lr的计算方法通常是根据谐振频率和谐振电容来计算。

谐振电感的计算公式如下：
Lr = V out2/(2π2f2P ou
t
) （3）其中，V out是输出电压，f是谐振频率，P out是输出功率。

例如，假设输出电压为12V，输出功率为100W，谐振频率为200kHz，则谐振电感计算公式如下：Lr = 122/(2π2×200kHz2×100W)≈600μH （3）
需要注意的是，在计算Lr时，还需要考虑变压器的漏感，漏感会影响Lr的大小，从而影响LLC谐振变换器的性能。

因此，在实际设计中，需要根据变压器的具体参数进行调整。

3.控制器参数
控制器是LLC谐振变换器的核心部件之一，其主要作用是控制开关管的开关，以实现电路的稳定运行和输出电压的调节。

在设计LLC谐振变换器时，需要选择适合的控制器，根据控制器的参数进行合理的设计。

一般来说，控制器的参数包括调制信号的频率、调制信号的
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占空比、升压电感的电感值和输出电容的电容值等。

其中，调制信号的频率和占空比是控制器的关键参数，直接影响着LLC谐振变换器的性能。

调制信号的频率通常选择在10 kHz到500 kHz之间，一般情况下，频率越高，谐振电容和电感的值就越小，电路的体积和重量就越小。

但需要注意的是，频率过高会导致开关损耗增加、EMI 干扰加剧，降低电路的效率和稳定性。

调制信号的占空比则决定了开关管的导通时间和关断时间的比例，直接影响到输出电压的大小。

一般情况下，占空比越大，输出电压就越高，但也会增加开关管的损耗和EMI干扰。

而适当选择升压电感和输出电容的数值可以减小谐振电容和电感的值，使电路更为紧凑，同时也能提高转换效率和稳定性。

对于不同的应用场景，需要根据具体情况来进行参数选择和设计[6]。

4.整流器参数
整流器参数的计算包括整流二极管的选择和电感的选择。

整流二极管需要能够承受输出电流和反向电压，因此需要选择符合要求的二极管。

电感的选择需要考虑到整流器的输出电流和输出电压，需要进行详细的计算和优化。

在LLC谐振变换器中，整流器网络通常采用全桥整流电路，其作用是将输出变压器的交流输出转化为直流输出，并对输出电压进行滤波。

全桥整流电路由4个二极管和一个中心点接地的中性点组成，其中两个二极管被称为“主二极管”，另外两个被称为“副二极管”。

主二极管的导通是由控制器产生的PWM信号控制的，而副二极管则是被动导通的，它们的作用是允许输出电流在输出电压为负时流过变压器。

在实际应用中，选择合适的二极管具有重要意义，应根据电路的实际情况选择合适的二极管型号和参数。

5.仿真和实验结果分析
仿真和实验结果分析是评估LLC谐振变换器设计质量和性能的重要手段，可以验证设计的正确性和优化方向。

通过仿真和实验可以得出LLC谐振变换器的实际性能指标，如转换效率、输出电压稳定性、纹波大小、开关损耗、EMI等。

在仿真中，可以利用电路仿真软件，输入电路的参数，进行电路的工作状态分析、参数优化等。

而在实验中，则需要制作实际电路，进行实际地测试。

例如，对于输出电压稳定性，通常可以通过设置反馈控制电路，控制输出电压在一定范围内波动；对于开关损耗，可以通过选择合适的开关管型号和控制方式，减小开关损耗；对于EMI问题，则需要采取一系列的抑制措施，如降低开关频率、增加滤波电容、采用合适的EMI滤波电路等。

（三）LLC谐振变换器在通信电源中的应用
LLC谐振变换器在通信电源中的应用非常广泛。

通信设备通常需要在长时间内运行，为了保证稳定的电源供应，电源的效率需要尽可能高，以减少能量损失。

同时，通信设备对电源的输出电压精度要求较高，以保证设备的正常运行和数据的传输质量。

另外，通信设备通常需要在不同的环境条件下工作，因此电源需要具有高稳定性，以适应各种工作条件。

LLC谐振变换器可以满足上述需求，因此在通信电源中得到了广泛应用。

LLC谐振变换器最常用于电源级别的变换，例如，将高电压直流电源转换为低电压直流电源。

由于LLC谐振变换器具有零电压开关和零电流开关的特点，可以大大减少开关损耗和电磁干扰，从而提高电源的效率。

同时，LLC谐振变换器具有高精度和高稳定性的优点，可以满足通信设备对电源输出的要求。

在通信电源中，LLC谐振变换器可以与其他电路组成复杂的电源系统，例如直流-直流转换器和直流－交流逆变器等。

通信设备的电源设计需要考虑多种因素，例如输入电压范围、输出电压精度、电源效率和电磁干扰等，因此需要综合考虑多种因素，进行电源设计和优化。

综上所述，LLC谐振变换器在通信电源中应用广泛，并具有高效率、高精度和高稳定性等优点。

在电源设计中，需要综合考虑多种因素，并利用LLC谐振变换器与其他电路组合，构建高效、稳定的电源系统。

三、LLC谐振式高效率通信电源的应用
LLC谐振式高效率通信电源在通信系统中有广泛地应用，如通信基站、光纤通信、无线通信等领域。

在这些应用中，电源需要满足高效率、小体积、低成本、高可靠性等要求。

而LLC谐振式变换器具有高效率、ZVS、ZCS等优点，可以满足这些要求，因此在通信电源设计中被广泛采用。

（一）在通信基站的应用
在通信基站的应用中，LLC谐振式变换器可以用于DC/DC变换器、AC/DC变换器等多种电源模块的设计，并且能够满足不同输出功率的需求。

同时，LLC谐振式变换器的高效率和低EMI特性也可以保证通信系统的稳定性和可靠性。

（二）在光纤通信中的应用
在光纤通信中，LLC谐振式变换器可以用于提供直流电源，如-48V DC电源。

由于光纤通信的设备通常要求电源具有稳定性和高效率，因此LLC谐振式变换器的应用也得到了广泛地关注。

（三）在无线通信中的应用
在无线通信中，LLC谐振式变换器可以用于手机、通信基站、微波通信等多种设备的电源设计。

这些设备通常需要具有高效率、小体积和低EMI等特性，而LLC
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时，本文还详细介绍了LLC 谐振变换器的基本结构和原理、电源设计流程和关键技术、控制器参数、整流器参数以及谐振电容、谐振电感等重要参数的计算方法。

本文的研究成果对于通信系统中的电源设计和优化具有一定的参考价值，也为未来更高效、更可靠的通信电源设计提供了一定的思路和方法。

作者单位：阎晓璟 山西信息规划设计院有限公司
谐振式变换器可以满足这些要求，因此也被广泛应用于无线通信领域。

四、结束语综上所述，本文基于LLC 谐振变换器的特点和优势，设计并实现了一种高效率的通信电源。

通过仿真和实验的结果分析，证明了该设计具有高效率、高稳定性和低电磁干扰等优点，可以满足通信系统中的电源需求。

同
另外，通信工程的应用能够提升建设领域形象，避免传统低技术含量的环节进入生产建设过程，为我国大型工程项目建立国际化平台。

信息化是推动全球化顺利开展的关键，借助信息化才能够推动智能化的发展，最终保证通信工程管理系统的设计和实现能够全面助推通信工程的发展。

六、结束语
综上所述，UML 要充分考虑通信工程的管理系统进行建设，要结合有效建模语言，并伴随计算机软件进行创新发展。

UML 要追求持续性地发展和完善，以适应全新的软件开发需求，并满足系统需求。

作者单位：池锦俊 公诚管理咨询有限公司
提高通信工程管理的价值。

（二）在通信工程项目管理建设过程中充分应用信息技术
任何系统设计和开发的过程都会涉及项目的组织管理和角色管理。

从组织管理的角度来看，尤其是对于大型项目而言，信息技术的应用是实现高效且简洁管理的必要条件，以避免复杂的操作流程。

从关键角色的角度来看，信息技术能够更科学、透明地实现大型工程项目的管理。

因此，应不断提升信息技术的应用水平。

一方面，随着世界贸易组织（WTO）和全球贸易协定（GATT）等国际组织建立了全球自由贸易发展格局，大型工程项目的物资采购和劳务资源获取都在向全球化的趋势发展，项目的管理必须借助信息技术实现全球化的拓宽。

参 考 文 献
[1]郭宁生,王东勃,范阳曦,等.基于UML 的数字化技术图纸管理信息系统分析和设计[J].机械科学与技术,2009,28(3):404-407,411.
[2]王东,李陶深.UML 在非粮能源原料采购控制系统中的应用[J].轻工科技,2013,29(8):81-82.[3]肖海蓉.UML 在软件系统开发中的应用[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(3):23-27.
[4]王彬丽,程永红,王立芬.UML 建模技术在智能故障诊断系统中的应用[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2006, (S2):118-120.
[5]孙赢,许旻.UML 在实验室信息管理系统建模中的应用[J].苏州市职业大学学报,2010,21(3):52-55.[6]崔泽恒.UML 系统分析设计方法在新闻系统中的应用[J].科技情报开发与经济,2008,18(12):145-146. [7]唐玉琦,宋义秋.基于UML 的计算机考试系统分析与设计[J].信息技术与信息化,2015(4):27-28.
[8]艾孜孜·吐尔逊.基于UML 的《和田师专成绩管理系统》的设计[J].电脑知识与技术,2009,5(24):6926-6927. [9]由华,何彦雨.计算机软件辅助下大学英语教学模式的探究——基于UML 网络大学英语教学系统建模[J].教育现代化,2017,4(3):206-207.
[10]张日明,孙大文,孙卓.基于UML 的数控装备可靠性信息管理系统设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2007,30(3):47-50.
参 考 文 献
[1]邱惠敏,张方晖.LLC 谐振变换器参数改进算法仿真[J].计算机仿真,2022,39(10):94-98.
[2]潘健,刘松林,石迪,等.宽电压应用定频LLC 谐振变换器的PWM 控制策略[J].电力科学与技术学报,2022,37(05):80-87.[3]鲁静,同向前,尹军,等.L-LLC 谐振型双向DC-DC 变换器轻载优化控制策略研究[J].电工技术学报,2022,37(17):4458-4465.[4]陈宗祥,张武林,陈克难,等.LLC 谐振变换器自抗扰控制研究[J].电机与控制学报,2022,26(08):130-138.
[5]谭枫娟,周洁敏,许天赐,等.全桥LLC 谐振变换器实现高压充电技术研究[J].电力电子技术,2022,56(07):113-116.[6]岳云涛,王成,李炳华.全桥LLC 谐振变换器稳定性分析与仿真研究[J].计算机仿真,2022,39(07):161-167.
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