LLC LED驅(qū)動(dòng)器簡化設(shè)計(jì)

一些廠商使用LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器來為這些設(shè)備的發(fā)光二極管(LED)背光提供驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)椋眠@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的零電壓軟開關(guān)(ZVS)可帶來更高效的高功率密度設(shè)計(jì)，并且要求的散熱部件比硬開關(guān)拓?fù)涓佟?/p>

這類拓?fù)湓O(shè)計(jì)存在的一個(gè)問題是LLC dc/dc傳輸函數(shù)會(huì)隨負(fù)載變化而出現(xiàn)明顯變化。但是，這樣會(huì)使在LED驅(qū)動(dòng)器中建立LLC控制器和補(bǔ)償電流環(huán)路變得更加復(fù)雜。為了簡化這一設(shè)計(jì)過程，本文將討論一種被稱作脈寬調(diào)制(PWM)LED亮度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，其允許LED負(fù)載隨亮度調(diào)節(jié)變化的同時(shí)讓dc/dc傳輸函數(shù)保持恒定。

研究傳輸函數(shù)(M(f))的LLC諧振半橋dc/dc

LLC諧振半橋控制器dc/dc(請參見圖 1)是一種脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制拓?fù)?。半橋FET(QA和QB)異相驅(qū)動(dòng)180,并利用一個(gè)電壓控制振蕩器(VCO)調(diào)節(jié)/控制頻率。這反過來又能調(diào)節(jié)諧振電感(Lr)形成的分壓器阻抗、變壓器磁電感(LM)、反射等效阻抗(RE)和諧振電容器(Cr)進(jìn)行調(diào)節(jié)。僅有LM中形成的電壓通過變壓器匝數(shù)比(a1)反射至次級線圈。

圖1 LLC 諧振半橋/控制器

我們可以標(biāo)準(zhǔn)化和簡化一次諧波近似法傳輸函數(shù) M(f) 的使用。M(f) 的方程式 4中，標(biāo)準(zhǔn)化的頻率(fn)被定義為開關(guān)頻率除以諧振頻率(fO)。盡管只是一種近似值方法，但在理解M(f)如何隨輸入電壓、負(fù)載和開關(guān)頻率變化而變化時(shí)，該簡化方程式還是非常有用的。

調(diào)節(jié)dc電流以調(diào)節(jié)LED亮度LLC諧振LED驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)的一種方法是調(diào)節(jié)通過LED的dc電流。這樣做存在一個(gè)問題：DC電流變化后，LLC的輸出阻抗也隨之改變。如果考慮不周，則這種變化會(huì)帶來M(f)變化，從而使LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

負(fù)載變化帶來的問題設(shè)計(jì)一個(gè)半橋轉(zhuǎn)換器并不是一件容易的事情。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)ZVS要求選擇磁化電感(LM)。他們還要調(diào)節(jié)a1、Cr和Lr,以獲得理想的M(f)和頻率工作范圍。但是，M(f)會(huì)隨Q變化而改變，而Q又會(huì)隨著輸出負(fù)載(RL)變化而變化。詳情請參見圖2.

諧振LLC半橋LED的M(f) 變化會(huì)使電壓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇變得更加困難、復(fù)雜和混亂，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中需要考慮的各種變化實(shí)在太多了。

圖2 M(f) 隨負(fù)載而變化。

不斷變化的LLC增益曲線(M(f))會(huì)在反饋環(huán)路中引起電壓控制振蕩器(VCO) 的控制問題。VCO一般由一個(gè)反饋誤差放大器控制(EA(參見圖 1))。開關(guān)頻率隨EA輸出升高而降低以提高LLC增益，并在EA輸出下降時(shí)增高。理想情況下，在一個(gè)LLC半橋設(shè)計(jì)中，M(f) 增益需在其最大開關(guān)頻率下以最小值開始，同時(shí)M(f)隨頻率降低而上升。

正常工作時(shí)的理想M(f)范圍為虛線右側(cè)部分(請參見圖2)。我們把這一區(qū)域稱作電感區(qū)，這時(shí)LLC工作在ZVS下。虛線左邊為電容區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)主級開關(guān)節(jié)點(diǎn)上沒有ZVS.在大信號瞬態(tài)期間，EA會(huì)驅(qū)動(dòng)VCO,要求更低的開關(guān)頻率，以提高增益。結(jié)果是，M(f)增益工作在虛線左邊區(qū)域，可能達(dá)不到理想增益，無法滿足控制環(huán)路需求。

這時(shí)，ZVS丟失，并且反饋環(huán)路會(huì)讓LLC控制器一直鎖閉在該區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)在，反饋誤差放大器嘗試要求更低的開關(guān)頻率，以提高功率級無法達(dá)到的增益，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器可能工作在圖2中虛線的右邊區(qū)域。ZVS丟失時(shí)，F(xiàn)ET QA和QB消耗更多功率，F(xiàn)ET會(huì)因過熱而損壞。為了避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)這種問題，需要對所有M(f) 曲線進(jìn)行分析，然后適當(dāng)?shù)叵拗谱钚￠_關(guān)頻率(f)，以防止轉(zhuǎn)換器(M(f))工作在圖2中虛線的左側(cè)區(qū)域。

PWM 亮度調(diào)節(jié)簡化設(shè)計(jì)過程對于要求亮度調(diào)節(jié)的 LLC 諧振半橋 LED 驅(qū)動(dòng)器而言，簡化設(shè)計(jì)過程的一種方法是使用一種被稱為 PWM 亮度調(diào)節(jié)的技術(shù)。圖 3 顯示了一個(gè) LLC 轉(zhuǎn)換器的功能原理圖，它的 LLC 控制器便使用了這種 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)。在我們的例子中，我們使用了 UCC25710.

圖 3 使用 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)的 LLC 半橋 LED 驅(qū)動(dòng)器。

這種技術(shù)利用一個(gè)控制 FET QC 的固定低頻信號 (DIM)，它以邏輯方式添加至QA 和 QB FET 驅(qū)動(dòng)。DIM 信號為高電平時(shí)，LED 背光燈串被控制在某個(gè)固定峰值電流 (VRS/RS)。一旦 DIM 變?yōu)榈碗娖?，QA、QB 和 QC 立即關(guān)閉。QA、QB 和 QC 關(guān)閉后，LED 二極管便停止導(dǎo)電，同時(shí)輸出電容器 (COUT)存儲(chǔ)能量，以備準(zhǔn)時(shí)開始下一個(gè) DIM 周期。更多詳情，請參見圖 4 所示波形。

圖 4 PWM 亮度調(diào)節(jié)波形

通過調(diào)節(jié) DIM 信號的占空比 (D) 實(shí)現(xiàn)對平均二極管電流 (ID) 的調(diào)節(jié)，從而控制 LED 的亮度。

盡管 LLC 諧振半橋從主級到次級為 LED 供電，但是負(fù)載 (RL) 到LLC傳輸函數(shù) (M(f)) 依然恒定，即使 LED 的平均電流隨占空比而變化。

使用固定 RL 且給定 Lr、Cr 和 LM 時(shí)，等效反射阻抗 (RE) 恒定，Q 保持不變。這時(shí)僅得到一條 M(f) 曲線，其隨頻率(請參見圖 5)變化，而不受使用變量 RL 的傳統(tǒng) LED 亮度調(diào)節(jié)方法得到的多條曲線(請參見圖 2)的影響。在設(shè)計(jì)中只處理一條 M(f) 曲線，讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇變得更加簡單，從而簡化設(shè)計(jì)過程。另外，設(shè)置最小開關(guān)頻率時(shí)還需要注意另一條曲線，以確保 ZVS 得到維持。這時(shí)，最小f設(shè)置為單 M(f) 曲線的峰值(請參見圖 5)。

圖 5 使用 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)驅(qū)動(dòng) LED 的 M(f)

設(shè)計(jì)一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)用 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器并不容易。傳統(tǒng) LLC的dc/dc 增益隨負(fù)載變化會(huì)有較大范圍的變化。我們需要對許多條增益曲線進(jìn)行評估。這讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器設(shè)計(jì)/選擇變得更加復(fù)雜和混亂。要想簡化設(shè)計(jì)過程，把 LLC 和 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)組合使用是一種較為理想的選擇。這是因?yàn)?LLC 在供能期間會(huì)承受固定負(fù)載 (RL)，但在亮度調(diào)節(jié)期間 LED 電流會(huì)出現(xiàn)變化。結(jié)果是，LLC 增益變化更小，從而讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇/設(shè)計(jì)更加簡單。