LLC LED凈化燈驅動(dòng)器簡(jiǎn)化設計

相比過(guò)去使用的老式、笨重的陰極射線(xiàn)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(mǎn)足消費者需求并使這類(lèi)數字設備變得更薄，一些廠(chǎng)商轉向使用LLC 諧振半橋轉換器來(lái)為這些設備的發(fā)光二極管（LED）背光提供驅動(dòng)。這是因為，利用這種拓撲結構所實(shí)現的零電壓軟開(kāi)關(guān)（ZVS）可帶來(lái)更高效的高功率密度設計，并且要求的散熱部件比硬開(kāi)關(guān)拓撲更少。

　　這類(lèi)拓撲設計存在的一個(gè)問(wèn)題是LLC dc/dc傳輸函數會(huì )隨負載變化而出現明顯變化。但是，這樣會(huì )使在LED驅動(dòng)器中建立LLC控制器和補償電流環(huán)路變得更加復雜。為了簡(jiǎn)化這一設計過(guò)程，本文將討論一種被稱(chēng)作脈寬調制（PWM）LED亮度調節的設計方法，其允許LED凈化燈負載隨亮度調節變化的同時(shí)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(jiàn)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(dòng)180,并利用一個(gè)電壓控制振蕩器（VCO）調節/控制頻率。這反過(guò)來(lái)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(jìn)行調節。僅有LM中形成的電壓通過(guò)變壓器匝數比（a1）反射至次級線(xiàn)圈。

圖1  LLC 諧振半橋/控制器

　　我們可以標準化和簡(jiǎn)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(kāi)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、負載和開(kāi)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。

　　調節dc電流以調節LED亮度LLC諧振LED驅動(dòng)器中實(shí)現LED亮度調節的一種方法是調節通過(guò)LED的dc電流。這樣做存在一個(gè)問(wèn)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(lái)M（f）變化，從而使LED驅動(dòng)器設計變得更加復雜。

　　負載變化帶來(lái)的問(wèn)題設計一個(gè)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(huì )隨Q變化而改變，而Q又會(huì )隨著(zhù)輸出負載（RL）變化而變化。詳情請參見(jiàn)圖2.

　　諧振LLC半橋LED的M（f） 變化會(huì )使電壓環(huán)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(guò)程中需要考慮的各種變化實(shí)在太多了。

圖2  M（f） 隨負載而變化。

不斷變化的LLC增益曲線(xiàn)（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(wèn)題。VCO一般由一個(gè)反饋誤差放大器控制（EA（參見(jiàn)圖 1））。開(kāi)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半橋設計中，M（f） 增益需在其最大開(kāi)關(guān)頻率下以最小值開(kāi)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(xiàn)右側部分（請參見(jiàn)圖2）。我們把這一區域稱(chēng)作電感區，這時(shí)LLC工作在ZVS下。虛線(xiàn)左邊為電容區，在該區域內主級開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上沒(méi)有ZVS.在大信號瞬態(tài)期間，EA會(huì )驅動(dòng)VCO,要求更低的開(kāi)關(guān)頻率，以提高增益。結果是，M（f）增益工作在虛線(xiàn)左邊區域，可能達不到理想增益，無(wú)法滿(mǎn)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域內?，F在，反饋誤差放大器嘗試要求更低的開(kāi)關(guān)頻率，以提高功率級無(wú)法達到的增益，因為轉換器可能工作在圖2中虛線(xiàn)的右邊區域。ZVS丟失時(shí)，FET QA和QB消耗更多功率，FET會(huì )因過(guò)熱而損壞。為了避免設計中出現這種問(wèn)題，需要對所有M（f） 曲線(xiàn)進(jìn)行分析，然后適當地限制最小開(kāi)關(guān)頻率（f），以防止轉換器（M（f））工作在圖2中虛線(xiàn)的左側區域。

　　PWM 亮度調節簡(jiǎn)化設計過(guò)程對于要求亮度調節的 LLC 諧振半橋 LED 驅動(dòng)器而言，簡(jiǎn)化設計過(guò)程的一種方法是使用一種被稱(chēng)為 PWM 亮度調節的技術(shù)。圖 3 顯示了一個(gè) 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(shù)。在我們的例子中，我們使用了 UCC25710.

圖 3 使用 PWM 亮度調節技術(shù)的 LLC 半橋 LED 驅動(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 驅動(dòng)。DIM 信號為高電平時(shí)，LED凈化燈 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 二極管便停止導電，同時(shí)輸出電容器 （COUT）存儲能量，以備準時(shí)開(kāi)始下一個(gè) DIM 周期。更多詳情，請參見(jiàn)圖 4 所示波形。

圖 4 PWM 亮度調節波形

　　通過(guò)調節 DIM 信號的占空比 （D） 實(shí)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(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(xiàn)，其隨頻率（請參見(jiàn)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(xiàn)（請參見(jiàn)圖 2）的影響。在設計中只處理一條 M（f） 曲線(xiàn)，讓環(huán)路補償和變壓器選擇變得更加簡(jiǎn)單，從而簡(jiǎn)化設計過(guò)程。另外，設置最小開(kāi)關(guān)頻率時(shí)還需要注意另一條曲線(xiàn)，以確保 ZVS 得到維持。這時(shí)，最小f設置為單 M（f） 曲線(xiàn)的峰值（請參見(jiàn)圖 5）。

圖 5 使用 PWM 亮度調節技術(shù)驅動(dòng) LED 的 M（f）

　　設計一個(gè) LED凈化燈 驅動(dòng)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(huì )有較大范圍的變化。我們需要對許多條增益曲線(xiàn)進(jìn)行評估。這讓環(huán)路補償和變壓器設計/選擇變得更加復雜和混亂。要想簡(jiǎn)化設計過(guò)程，把 LLC 和 PWM 亮度調節技術(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(huì )承受固定負載 （RL），但在亮度調節期間 LED 電流會(huì )出現變化。結果是，LLC 增益變化更小，從而讓環(huán)路補償和變壓器選擇/設計更加簡(jiǎn)單。

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