基于一種用LLC諧振半橋轉換器進行LED驅動的設計方案

相比過去使用的老式、笨重的陰極射線管（CRT）顯示器，現在的平板數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字設備變得更薄，一些廠商轉向使用LLC 諧振半橋轉換器來為這些設備的發光二極管（LED）背光提供驅動。這是因為，利用這種拓撲結構所實現的零電壓軟開關（ZVS）可帶來更高效的高功率密度設計，并且要求的散熱部件比硬開關拓撲更少。

這類拓撲設計存在的一個問題是LLC dc/dc傳輸函數會隨負載變化而出現明顯變化。但是，這樣會使在LED驅動器中建立LLC控制器和補償電流環路變得更加復雜。為了簡化這一設計過程，本文將討論一種被稱作脈寬調制（PWM）LED亮度調節的設計方法，其允許LED負載隨亮度調節變化的同時讓dc/dc傳輸函數保持恒定。

研究傳輸函數（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）是一種脈沖頻率調制（PFM）控制拓撲。半橋FET（QA和QB）異相驅動180，并利用一個電壓控制振蕩器（VCO）調節/控制頻率。這反過來又能調節諧振電感（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）進行調節。僅有LM中形成的電壓通過變壓器匝數比（a1）反射至次級線圈。

圖1 LLC 諧振半橋/控制器

我們可以標準化和簡化一次諧波近似法傳輸函數 M（f） 的使用。M（f） 的方程式 4中，標準化的頻率（fn）被定義為開關頻率除以諧振頻率（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、負載和開關頻率變化而變化時，該簡化方程式還是非常有用的。

調節dc電流以調節LED亮度LLC諧振LED驅動器中實現LED亮度調節的一種方法是調節通過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驅動器設計變得更加復雜。

負載變化帶來的問題設計一個半橋轉換器并不是一件容易的事情。設計人員要根據ZVS要求選擇磁化電感（LM）。他們還要調節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） 變化會使電壓環路補償和變壓器選擇變得更加困難、復雜和混亂，因為在設計過程中需要考慮的各種變化實在太多了。

圖2 M（f） 隨負載而變化。

不斷變化的LLC增益曲線（M（f））會在反饋環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半橋設計中，M（f） 增益需在其最大開關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）范圍為虛線右側部分（請參見圖2）。我們把這一區域稱作電感區，這時LLC工作在ZVS下。虛線左邊為電容區，在該區域內主級開關節點上沒有ZVS.在大信號瞬態期間，EA會驅動VCO，要求更低的開關頻率，以提高增益。結果是，M（f）增益工作在虛線左邊區域，可能達不到理想增益，無法滿足控制環路需求。

這時，ZVS丟失，并且反饋環路會讓LLC控制器一直鎖閉在該區域內?，F在，反饋誤差放大器嘗試要求更低的開關頻率，以提高功率級無法達到的增益，因為轉換器可能工作在圖2中虛線的右邊區域。ZVS丟失時，FET QA和QB消耗更多功率，FET會因過熱而損壞。為了避免設計中出現這種問題，需要對所有M（f） 曲線進行分析，然后適當地限制最小開關頻率（f），以防止轉換器（M（f））工作在圖2中虛線的左側區域。

PWM 亮度調節簡化設計過程對于要求亮度調節的 LLC 諧振半橋 LED 驅動器而言，簡化設計過程的一種方法是使用一種被稱為 PWM 亮度調節的技術。圖 3 顯示了一個 LLC 轉換器的功能原理圖，它的 LLC 控制器便使用了這種 PWM 亮度調節技術。在我們的例子中，我們使用了 UCC25710.

圖 3 使用 PWM 亮度調節技術的 LLC 半橋 LED 驅動器。

這種技術利用一個控制 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 變為低電平，QA、QB 和 QC 立即關閉。QA、QB 和 QC 關閉后，LED 二極管便停止導電，同時輸出電容器 （COUT）存儲能量，以備準時開始下一個 DIM 周期。更多詳情，請參見圖 4 所示波形。

圖 4 PWM 亮度調節波形

通過調節 DIM 信號的占空比 （D） 實現對平均二極管電流 （ID） 的調節，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，但是負載 （RL） 到LLC傳輸函數 （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 LED 亮度調節方法得到的多條曲線（請參見圖 2）的影響。在設計中只處理一條 M（f） 曲線，讓環路補償和變壓器選擇變得更加簡單，從而簡化設計過程。另外，設置最小開關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設置為單 M（f） 曲線的峰值（請參見圖 5）。

圖 5 使用 PWM 亮度調節技術驅動 LED 的 M（f）

設計一個 LED 驅動用 LLC 諧振半橋轉換器并不容易。傳統 LLC的dc/dc 增益隨負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行評估。這讓環路補償和變壓器設計/選擇變得更加復雜和混亂。要想簡化設計過程，把 LLC 和 PWM 亮度調節技術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載 （RL），但在亮度調節期間 LED 電流會出現變化。結果是，LLC 增益變化更小，從而讓環路補償和變壓器選擇/設計更加簡單。
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