深度解析400W高效PFC+LLC电源方案：CXSU63306+CXAC85257设计与实战
在工业电源领域，高效率、高功率密度和稳定输出是核心需求。本文详细解析基于CXSU63306 PFC控制器和CXAC85257 LLC谐振控制器的400W电源方案，涵盖设计原理、关键参数计算、PCB布局及实测数据，助力工程师快速实现高性能电源开发。
一、方案核心特性
1.1)高性能芯片组合
1.1.1)PFC级：采用连续导通模式（CCM）的CXSU63306，固定开关频率65kHz，支持宽输入电压（AC 110-265V），输出390V直流。
1.1.2)LLC级：CXAC85257驱动半桥谐振拓扑，将390V转换为36V±0.3V直流，满载效率达93%。
1.2)关键性能指标
1.2.1)功率因数：>0.99（AC 220V满载）
1.2.2)静态功耗：≤1.5W
1.2.3)保护功能：输入过压、输出过流/短路、母线欠压锁死
1.2.4)尺寸：235mm×60mm×25mm（紧凑型PCBA）
1.2.4)工作效率曲线
1.2.5)功率因数曲线
二、PFC设计详解
有两种工作模式已被广泛应用于PFC实现。对于大功率电路，选择的拓扑结构是运行于CCM下且具有平均
电流模式控制的升压转换器。对于小效率应用，通常采用临界导电模式(CRM)升压拓扑结构。
CCM 模式，因为其峰值电流和有效电流都比较低，可显著降低MOSFET、二极管和电感器的应力。
本方案的CXSU63306在CCM模式下是以固定频率运行，只需使用极少的外部元件即可实现大功率PFC。
下面将介绍本方案设计的设计过程和元件选择。
本方案PFC部分基本参数：输入电压范围100 − 265V AC，开关频率f=65KHz，输出电压VOUT=390V,
目标效率η=0.96，目标功率因数PF= 0.99。
2.1. 关键参数计算
2.1.1)升压电感设计：
输入纹波电流ΔI=1.79A，最低输入电压时占空比D<sub>max</sub>=0.64，计算电感最小值：
LBST(min)≥778μH最终选用400μH电感（EQ4020磁芯，气隙调整）。
2.1.2)输出电容选型：
为满足LLC级280V保持电压要求，计算最小电容：COUT(min)≥217μF
实际采用2×120μF/450V电解电容并联。
2.1.3)电流计算
输入保险丝、桥式整流器和输入电容都是基于输入电流计算进行选择的。首先，确定最大平均输出电流IOUT(max):
2.1.4)开关器件
2.1.5)升压二极管
输出二极管的反向耐压应高于转换器的输出过电压，平均电流应与IOUT(max)相同。选择的输出二极管
为一款 600V/20A 的二极管 MUR2060。
二极管损耗基于 125°C 时的正向压降VF 和二极管的反向恢复电荷QRR 进行估算：
PDIODE = VF125C × IOUT(max) + 0.5 × f × VOUT × QRR
= 1.55 × 1.02 + 0.5 × 65 × 390 × 50 = 2.21W (13)
2. 2.功率器件损耗分析
2.2.1)MOSFET（FCP20N60）：导通损耗3.58W + 开关损耗5W = 总损耗8.58W，需配散热器。
2.2.2)升压二极管（MUR2060）：正向损耗1.58W + 反向恢复损耗0.63W = 总损耗2.21W。
2.3.方案设计原理
本方案原理框图如图 4-1所示，是一款全电压范围高功率因素、高效率的电源。其中采用CXSU63306作为
PFC控制器，采用 CXAC85257作为LLC控制器。输入电压经过全桥整流后，通过CXSU63306升压到390V，
再经过半桥LLC拓扑转换成36V直流电压输出。在满载条件下，220V AC输入时的总体系统效率为93%，
110V AC输入时的总体系统效率为90%。此外，本设计还内置多种保护功能，其中包括输出过流、短路保护。
图 4-1. 方案原理框图
设计技巧：优化门极电阻可降低MOSFET开关尖峰，建议值6-10Ω。
三、LLC谐振变换器设计
率的增大而减小，但器件的开关损耗（与频率成正比）会明显增多，进而严重影响效率。谐振转换器采用软
开关技术，能够减轻开关损耗问题，从而保持高效率。本方案选用最简单且最常用的半桥 LLC 谐振转换器，
主要优点为：
1. 能在较宽的电源和负载波动范围内调节输出，而开关频率波动范围较小；
2. 在整个工作范围内，实现功率 MOS 管的零电压开通（ZVS）；
3. 所有电路固有的寄生参数均可以用于实现软开关，包括功率 MOS 管的结电容、变压器漏感与励磁电感。
输出电压VO=36V,输出电流IO = 11A，输出二极管压降 Vf= 0.7V,目标效率η = 0.96。
3.1. 谐振腔参数计算
3.1.1)设计 LLC 变换器时，通常输入为额定电压，输出为额定负载，也就是谐振腔的电压增益为Mg= 1，
变压器匝比计算如下:
(取整后 Np=16T, Ns=3T)
3.1.2)谐振元件参数：
3.1.2.1)谐振电容：C<sub>r</sub>=47nF/630V
3.1.2.2)谐振电感：L<sub>r</sub>=60μH（PQ2016磁芯）
3.1.2.3)励磁电感：L<sub>m</sub>=350μH（EQ4020磁芯）
3.2. 工作频率范围验证
3.2.1)满载频率：93.3kHz（AC 220V输入）
3.2.2)过载115%时最低频率：82kHz
3.2.3)空载突发模式频率：36kHz
3.3. 变压器与电感工艺要点
| 组件 | 绕线工艺 | 绝缘要求 |
|---|---|---|
| 变压器 | 初级60股Φ0.1mm利兹线，次级200股 | 初级-次级耐压2500V AC |
| 谐振电感 | 80股Φ0.1mm利兹线，16匝密绕 | 磁芯点胶防松动 |
3.4.确定最小增益 Gmin 和最大增益 Gmax
3.6.选择 m 和 Q
3.7.使用所选值验证谐振电路设计
四、保护功能实测验证
4.1)过流保护（13A触发）：CXAC85257的ISEN引脚检测电流，触发打嗝模式（间隔200ms）。
4.2)短路保护：输出短路时VCC电压锁定，MOSFET关断，需重启恢复。
4.3)动态响应：0A↔11A负载阶跃时，输出电压波动<±0.5V，恢复时间<1ms。
五、PCB设计与元器件选型关键
5.1. 布局优化原则
5.1.1)功率回路：PFC电感、LLC变压器、输出电容形成最小回路，降低EMI。
5.1.2)信号隔离：模拟地（芯片GND）单点连接功率地，避免噪声耦合。
5.1.3)散热设计：MOSFET与二极管共用散热覆铜区，覆铜厚度≥2oz。
5.2. 核心器件选型
|
器件 |
推荐型号 |
选型依据 |
|---|---|---|
|
PFC MOS |
FCP20N60 |
R<sub>DS(on)</sub>≤0.32Ω@100°C |
|
输出二极管 |
MBR30100 |
V<sub>F</sub>≤0.7V@10A |
|
谐振电容 |
CBB薄膜电容 |
低ESR，高频特性稳定 |
5.3.输入电容以及输出电容
（Ciss、Coss、Crss）小的 MOS 管。
向压降低、反向恢复时间短、漏电流小，并且额定电流和额定电压合适的二极管。
5.7.1)绕线图
六、方案性能总结
该电源方案凭借CXSU63306+CXAC85257组合实现：
6.1.超高效率：93%（AC 220V满载），较传统方案提升5%以上。
6.2.极致功率因数：>0.99，满足IEC 61000-3-2谐波标准。
6.3)工业级可靠性：-10℃~50℃全温度范围输出精度±0.3V。
5.4)紧凑设计：功率密度达0.4W/cm³，适用于通信设备、工业电源等场景。
资源下载：完整原理图、PCB文件及BOM表可参考文档第17-24页。
七.方案原理图
八.方案板元器件列表BOM表
延伸思考：随着GaN器件普及，下一代方案可将开关频率提升至200kHz以上，进一步缩小磁性元件体积，
实现500W/in³的超高功率密度。
