引言：工业电源的效率革命
在工业设备、电动工具等领域，稳定高效的24V直流电源需求日益增长。本文深度解析基于CXAC85257控制芯片的LLC半桥谐振电源方案，该设计以400W输出功率、92.3%峰值效率及超紧凑结构（217mm×45mm），重新定义工业级电源标准。
一、方案核心优势
1.1.极致能效与稳定性
1.1.1)92.3%峰值效率：AC220V输入满载时实测效率＞91.3%，宽电压输入（180V-265V）下效率波动＜1%。
1.1.2)精准电压输出：24V±0.2V，负载调整率≤0.5%（0-17A负载变化）。
1.1.3)超低静态功耗：空载功耗＜1W，符合节能认证要求。
1.2.多重安全防护
1.2.1)输入过压/欠压保护（DC190V关断、225V恢复）
CXAC85257 芯片的 7 脚 Line 检测输入母线电压，当输入大电容的直流电压低于 190V 时，CXAC85257 进入待
机模式；当输入大电容的直流电压大于 225V 时，CXAC85257 自动恢复工作，开启 PWM 输出。
1.2.2)过流保护（＞20A触发打嗝模式）
本方案最大输出电流为17A。当输出电流＞20A 时，CXLB73136内部电流环运放输出通过光耦控制CXAC85257
关闭 PWM，如果持续过载，电源将进入间歇性打嗝模式。前级 CXAC85257-Isen 脚检测电压信号超过 0.8V，触
发内部第一个比较器，使内部开关开启，并放掉 Css 电容的电荷，振荡器频率迅速增加，从而限制了能量的
传输，实现过流保护的功能。
1.2.3)输出短路保护（Isen脚＞1.5V直接停机）
当输出正负极短路时，CXAC85257-Isen 脚检测电压信号超过 1.5V，触发内部第二个比较器，CXAC85257 将停
机，实现短路保护的功能。只有将 CXAC85257-Vcc 电源重新上电后，电路才能重新启动正常工作。
1.2.4)软起动原理
CXAC85257 芯片提供了软启动功能。软启动的目的是为了在启动过程中使变换器的功率逐渐增加，以便消
除过大的开机浪涌电流。启动时，变换器的开关频率从一个启动极限频率逐步降低，直到被控制回路接管
1.3.紧凑型工业设计:PCB尺寸仅217mm×45mm×23mm，适用于空间受限场景。
二、性能实测数据
2.1. 效率曲线分析（图3-2）
| 输入电压 | 100W效率 | 400W峰值效率 |
|---|---|---|
| AC 180V | 89.2% | 91.2% |
| AC 220V | 90.8% | 92.3% |
| AC 265V | 89.5% | 91.8% |
2.2. 关键波形验证
2.2.1)软启动过程（图5）：频率从极限值平滑下降，消除开机浪涌电流。
2.2.2)满载波形（图6）：初级电流（Ip）与输出电压（Vo）相位同步，证实ZVS软开关生效。
2.2.3)瞬态响应：0A↔17A负载跳变时，输出电压恢复时间＜10ms。
2.3.主要参数
三、LLC谐振核心技术解析
3.1. 软开关实现原理（§4.1）
ZVS机制：
利用变压器漏感（Lr）、励磁电感（Lm）与谐振电容（Cr）形成正弦电流，使MOS管在电压过零点导通（Q1/Q2死区时间400ns）。
graph LR
A[方波发生器] --> B[谐振网络 Lr+Lm+Cr]
B --> C[正弦电流滞后电压]
C --> D[MOS管零电压开通]3.2. 关键参数设计
3.2.1)谐振频率：由Lr（35μH）和Cr（82nF）决定，工作频段39kHz-173kHz（通过CXAC85257调节）。
3.2.2)变压器工艺（§8.2.3）：
3.2.2.1)初级绕组：80股Φ0.1mm线密绕11匝，电感量＞150μH
3.2.2.2)次级绕组：双路2匝（Φ0.2mm×80股）并联降低损耗
3.2.2.3)绝缘耐压：初级对次级＞2500V AC
3.2.2.4)绕线图
3.2.2.5)绕线数据
3.3.半桥 LLC 谐振变换器原理
本方案主电路采用半桥 LLC 谐振变换器，主要优点为；
3.3.1)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；
3.3.2)在整个工作范围内，实现功率 MOS 管的零电压开通（ZVS）；
3.3.3)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。
控制部分采用半桥 LLC 谐振变换器专用芯片 CXAC85257，具有软启动、过流保护、短路保护、
打嗝模式等功能。
LLC 谐振变换器主电路原理图与典型波形如图 4-1 所示。图中，Lm 指励磁电感，用作并
联电感，Lr 指串联谐振感，Cr 指谐振电容。谐振频率决定于 Lr 与 Cr 之间的谐振。由于励磁电
感相对较小，形成相当量的励磁电流（Im），在初级绕组续流，并不参与电能的传输。初级电
流 (Ir)为励磁电流与次级电流反射到初级的电流之和。
半桥 LLC 谐振变换器主要包括 50%方波发生器、谐振网络和整流网络。
3.3.4)方波发生器负责产生方波电压 Vd，通 过 50%占空比交替驱动开关管 Q1 和 Q2 来实现。
在连续切换中会引入一个较小的死区时间，本方案为典型值为 400ns。
3.3.5)谐振网络包括一只电容 Cr、变压器漏感 Lr 和励磁电感 Lm。方波电压施加到谐振网络
上，也只有正弦电流容许流过该谐振网络。电流(Ir)滞后于施加到谐振网络上的电压(即
方波电压(Vd)的基波分量被施加到半桥的图腾柱上)，容 许 MOS 管零电压开通。如图 4-
1 典型波形所示，当 MOS 管电压两端电压为零时 MOS 管开通，此时电流流经反并联二极管。
3.3.6)整流器网络产生直流电压，采用整流器二极管和电容对交流电进行整流器。整流器网
络可以设计成带有容性输出滤波器的全波整流器桥或中心抽头配置。
图 4-1. 半桥 LLC 谐振变换器原理图与典型波形
3.4.谐振电感
3.4.1)绕线图
3.4.2)绕线数据
四、可靠性设计要点
4.1. 核心器件选型（§8.2）
|
器件 |
型号/参数 |
设计作用 |
|---|---|---|
|
MOS管（Q1/Q2） |
FCP20N60 (TO220) |
低内阻+小结电容，抑制开关尖峰 |
|
输出二极管 |
MBR30100 (30A/100V) |
肖特基结构减少反向恢复损耗 |
|
谐振电感（L3） |
PQ2014磁芯，35μH |
80股Φ0.1mm线绕制，降低趋肤效应 |
（Ciss、Coss、Crss）小的 MOS 管。
在调试时，注意 MOS 管的开关毛刺尖峰，如果尖峰过大，可以将 MOS 管门级电阻改大。
4.2. PCB布局优化（§7.1）
4.2.1)高频路径最短化：谐振电容（C16）紧靠MOS管与变压器引脚。
4.2.2)散热设计：TO220器件预留覆铜散热区，底部走线层（Bottom）大面积铺地。
4.2.3)Layout 设计注意事项
4.2.4)PCB 板图
4.2.4.1)器件位号图
4.2.4.2)Top层走线图
4.2.4.3)Bottom层走线图
五、定制化与应用场景
5.1.参数灵活调整：输出电压可通过TL431基准芯片调节，功率等级可扩展至600W。
5.2.典型应用领域：
5.2.1)工业自动化设备（PLC、机械臂控制器）
5.2.2)电动工具充电站
5.2.3)医疗设备辅助电源
5.3.认证支持：内置安规电容（CX1/CY1）满足EMC要求。
六.方案原理图
七.方案板元器件列表
7.1 BOM 表
八.典型波形
8.1.软启动波形 测试条件：输入 AC 220V/50Hz，输出 24V17A
8.2.满载条件下输出电压波形与初级电流波形 测试条件：输入 AC 220V/50Hz，输出 24V17A。
8.3.负载瞬态响应 测试条件：输入 AC 220V/50Hz，输出负载 0A to 17A。
8.4.负载瞬态响应 测试条件：输入 AC 220V/50Hz，输出负载 17A to 0A。
8.5.过流保护 测试条件：输入 AC 220V/50Hz，输出电流大于 20A
结语：LLC拓扑的工业实践典范
CXAC85257方案通过全软开关技术与模块化安全防护，解决了工业电源对效率、尺寸、可靠性的三重挑战。其谐振电感与变压器的创新绕制工艺（多股细线+三层绝缘），更为高功率密度设计提供范本。
延伸价值：该方案BOM成本较传统方案降低15%，且支持-30℃~65℃宽温运行，适用于全球市场。
