LLC LED 驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
加入技術(shù)交流群
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。這些新型薄平板電視對(duì)消費(fèi)者非常有吸引力，因?yàn)樗鼈冋加玫目臻g更小。
為了幫助滿足消費(fèi)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(dòng)。這是因?yàn)?，利用這種拓?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?br style="margin: 0px; padding: 0px; word-break: break-all; ">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(jiǎn)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(qǐng)參見圖 1）是一種脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制拓?fù)?。半?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(jí)線圈。
圖 1 LLC 諧振半橋/控制器
等效反射阻抗：
（方程式 1）
變壓器匝數(shù)比：
（方程式 2）
（方程式 3）
我們可以標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)化一次諧波近似法 [1] 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(jiǎn)化方程式還是非常有用的。
標(biāo)準(zhǔn)化 LLC 半橋增益：
（方程式 4）
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(qǐng)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(qǐng)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(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上沒有 ZVS。在大信號(hào)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(jí)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(duì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程
對(duì)于要求亮度調(diào)節(jié)的 LLC 諧振半橋 LED 驅(qū)動(dòng)器而言，簡(jiǎn)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(hào) (DIM)，它以邏輯方式添加至QA 和 QB FET 驅(qū)動(dòng)。DIM 信號(hào)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(qǐng)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(hào)的占空比 (D) 實(shí)現(xiàn)對(duì)平均二極管電流 (ID) 的調(diào)節(jié)，從而控制 LED 的亮度。
（方程式 5）
盡管 LLC 諧振半橋從主級(jí)到次級(jí)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。
（方程式 6）
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(qǐng)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(qǐng)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(jiǎn)單，從而簡(jiǎn)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(qǐng)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(duì)許多條增益曲線進(jìn)行評(píng)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(jiǎn)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(jiǎn)單。
評(píng)論