LLC LED驅(qū)動器簡化設(shè)計

相比過去使用的老式、笨重的陰極射線管（CRT）顯示器，現(xiàn)在的平板數(shù)字電視和顯示器要薄得多。這些新型平板電視對消費者非常有吸引力，因為它們占用的空間更小。

為了幫助滿足消費者需求并使這類數(shù)字設(shè)備變得更薄，一些廠商轉(zhuǎn)向使用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。這是因為，利用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所實現(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，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)計存在的一個問題是LLCdc/dc傳輸函數(shù)會隨負(fù)載變化而出現(xiàn)明顯變化。但是，這樣會使在LED驅(qū)動器中建立LLC控制器和補償電流環(huán)路變得更加復(fù)雜。為了簡化這一設(shè)計過程，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)計方法，其允許LED負(fù)載隨亮度調(diào)節(jié)變化的同時讓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180,并利用一個電壓控制振蕩器（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1LLC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，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)動器中實現(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，則這種變化會帶來M（f）變化，從而使LED驅(qū)動器設(shè)計變得更加復(fù)雜。

負(fù)載變化帶來的問題設(shè)計一個半橋轉(zhuǎn)換器并不是一件容易的事情。設(shè)計人員要根據(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）會隨Q變化而改變，而Q又會隨著輸出負(fù)載（RL）變化而變化。詳情請參見圖2.

諧振LLC半橋LED的M（f）變化會使電壓環(huán)路補償和變壓器選擇變得更加困難、復(fù)雜和混亂，因為在設(shè)計過程中需要考慮的各種變化實在太多了。

圖2M（f）隨負(fù)載而變化。

不斷變化的LLC增益曲線（M（f））會在反饋環(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輸出下降時增高。理想情況下，在一個LLC半橋設(shè)計中，M（f）增益需在其最大開關(guān)頻率下以最小值開始，同時M（f）隨頻率降低而上升。

正常工作時的理想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)點上沒有ZVS.在大信號瞬態(tài)期間，EA會驅(qū)動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，ZVS丟失，并且反饋環(huán)路會讓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，因為轉(zhuǎn)換器可能工作在圖2中虛線的右邊區(qū)域。ZVS丟失時，F(xiàn)ETQA和QB消耗更多功率，F(xiàn)ET會因過熱而損壞。為了避免設(shè)計中出現(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)計過程對于要求亮度調(diào)節(jié)的LLC諧振半橋LED驅(qū)動器而言，簡化設(shè)計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)動器。

這種技術(shù)利用一個控制FETQC的固定低頻信號（DIM），它以邏輯方式添加至QA和QBFET驅(qū)動。DIM信號為高電平時，LED背光燈串被控制在某個固定峰值電流（VRS/RS）。一旦DIM變?yōu)榈碗娖剑琎A、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，同時輸出電容器（COUT）存儲能量，以備準(zhǔn)時開始下一個DIM周期。更多詳情，請參見圖4所示波形。

圖4PWM亮度調(diào)節(jié)波形

通過調(diào)節(jié)DIM信號的占空比（D）實現(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，等效反射阻抗（RE）恒定，Q保持不變。這時僅得到一條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)計中只處理一條M（f）曲線，讓環(huán)路補償和變壓器選擇變得更加簡單，從而簡化設(shè)計過程。另外，設(shè)置最小開關(guān)頻率時還需要注意另一條曲線，以確保ZVS得到維持。這時，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LED的M（f）

設(shè)計一個LED驅(qū)動用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)路補償和變壓器設(shè)計/選擇變得更加復(fù)雜和混亂。要想簡化設(shè)計過程，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。這是因為LLC在供能期間會承受固定負(fù)載（RL），但在亮度調(diào)節(jié)期間LED電流會出現(xiàn)變化。結(jié)果是，LLC增益變化更小，從而讓環(huán)路補償和變壓器選擇/設(shè)計更加簡單。