Современная электроника непрерывно совершенствуется. Импульсные блоки питания — не исключение. Разработчики постоянно экспериментируют с новыми технологиями, стараясь увеличить эффективность блоков питания: снизить цену и габариты, увеличить мощность и КПД. LLC топология — одна из таких технологий.
Как работает импульсный источник питания

В линейных блоках питания переменное напряжение 230 В сначала понижается до нужного уровня с помощью трансформатора, затем выпрямляется. Схема простая, но неэффективная и громоздкая. Низкочастотный силовой трансформатор имеет большие размеры и низкий КПД.

В импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется, затем преобразуется в переменное высокой частоты (обычно около 60 кГц). Затем напряжение понижается до нужного уровня и снова выпрямляется.   

Зачем так сделано?

Во-первых, высокочастотный трансформатор намного эффективнее, легче и компактнее низкочастотного той же мощности. Тепловых потерь меньше, КПД выше.

Во-вторых, такая схема позволяет плавно и в большом диапазоне регулировать уровень выходного напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Контроллер напряжения, включая и выключая силовые ключи преобразователя, меняет ширину импульсов переменного напряжения на входе в силовой трансформатор. Это позволяет регулировать выходное напряжение в широких пределах.
Один из основных элементов импульсного источника питания — DC-AC преобразователь на силовых ключах. В качестве ключей применяются полевые транзисторы с изолированным затвором, они же MOSFET («Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor» — «Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор»).

В классическом импульсном источнике питания переключение силовых ключей происходит под высоким напряжением. Это ведет к тепловым потерям. Именно поэтому MOSFET-транзисторы импульсных блоков питания снабжаются мощными радиаторами.

Избежать тепловых потерь может помочь ZVS-коммутация («Zero Voltage Switching» — «Переключение при нулевом напряжении»). Как следует из названия, при этом способе коммутации переключение транзистора происходит при нулевом напряжении сток-исток. Одним из способов достижения ZVS-коммутации и является LLC-топология.
Что такое LLC-резонатор

LLC-резонатор — резонансный контур, состоящий из двух индуктивностей и одной емкости. Расположен он прямо перед силовым трансформатором. Основой резонатора, как у любого резонансного контура, является пара конденсатор-индуктивность (LR, CR). Резонатор включается во входную цепь трансформатора. Меняя частоту входного напряжения (приближая и отдаляя ее от резонансной для контура), можно регулировать выходное напряжение. Еще одна индуктивность — индуктивность намагничивания силового трансформатора (LM) — добавлена в контур для возможности регулирования напряжения при слабой нагрузке. 

При работе LLC-резонатора форма тока на трансформаторе не прямоугольная, а синусоидальная. Это обеспечивает более мягкий режим работы схемы, снижает паразитные нагрузки и тепловые потери. А еще благодаря действию самоиндукции в контуре резонатора ток сток-исток на полевых транзисторах MOSFET отстает от напряжения, что обеспечивает переключение при нулевом напряжении. Поэтому паразитные потери на БП с LLC-топологией минимальны.



Внешне БП с LLC-резонатором мало отличается от обычного. Пленочный или чип-керамический конденсатор резонатора в глаза не бросается, а катушки индуктивности часто располагаются на сердечнике силового трансформатора. Так что никаких «лишних» деталей на первый взгляд не видно. Недоумение могут вызвать разве что скромные размеры БП и «несерьезные» радиаторы силовых ключей. На маломощных резонансных блоках питания MOSFETы иногда стоят вообще без радиаторов.

А вот внутренние различия кардинальны. Здесь выходное напряжение управляется изменением частоты.
Преимущество или особенность

В БП с LLC-резонатором применяется не ШИМ, а частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Ширина заполнения импульсов постоянна и всегда равна 50%. Но все высокочастотные компоненты работают в определенном диапазоне частот, и диапазон этот невелик. При выходе за его границы эффективность компонентов снижается. По этой причине диапазон регулирования выходного напряжения ограничен.

Впрочем, для компьютерных блоков питания это скорее преимущество, а не недостаток. Можно не опасаться, что вышедший из строя блок питания «перед смертью» пожжет повышенным напряжением всю начинку.
У резонансного БП ограничен и диапазон входных напряжений. Обычный импульсный БП может работать в очень широком диапазоне — 110–240В. Разброс допустимых напряжений резонансного БП намного меньше: 200–240 В.

Расчет и настройка LLC-резонатора — задача нетривиальная. Поэтому до недавних пор резонансные блоки питания стоили намного дороже обычных. Но на сегодняшний день технология отработана и перестала быть диковинкой.
Что есть еще?

LLC — не единственная резонансная топология блоков питания. Есть еще LCC-топология, в которой индуктивность намагничивания LM заменена шунтирующим конденсатором CS.

Такая схема также позволяет реализовать режим ZVS-коммутации на ключах и снизить до минимума потери при их переключении. Но в целом схема оказалась более сложной в реализации, чем LLC-топология. В частности, в этой схеме необходимо ограничивать ток контура при сильном снижении нагрузки — например, при переходе в спящий режим. Если не вводить обратную связь по выходному напряжению, при его падении частота коммутации ключей станет близка к собственной резонансной частоте ненагруженного контура. Это приведет к возрастанию токов в контуре и росту потерь.
Вывод

LLC-топология позволила повысить КПД импульсных боков питания до 98% за счет снижения потерь при переходных процессах на силовых ключах. Технология не новая, методики расчета компонентов отработаны. В большом ассортименте выпускаются  элементы, предназначенные для ее реализации. Это позволило снизить цену на резонансные БП. Большинство современных энергоэффективных блоков питания построены на LLC-топологии и цену при этом имеют вполне приемлемую.