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教你如何实现LLC LED驱动器简化设计

教你如何实现LLC LED驱动器简化设计

  随着科技技术的进步和发展,相比过去使用的老式、笨重的阴极射线管(CRT)显示器,现在的平板数字电视和显示器要薄得多。这些新型平板电视对消费者非常有吸引力,因为它们占用的空间更小。

  为了帮助满足消费者需求并使这类数字设备变得更薄,一些厂商转向使用LLC谐振半桥转换器来为这些设备的发光二极管(LED)背光提供驱动。这是因为,利用这种拓扑结构所实现的零电压软开关(ZVS)可带来更高效的高功率密度设计,并且要求的散热部件比硬开关拓扑更少。本文就将分享一种可以实现LLCLED驱动器的简化设计方法。

  这类拓扑设计存在的一个问题是LLCdc/dc传输函数会随负载变化而出现明显变化。但是,这样会使在LED驱动器中建立LLC控制器和补偿电流环路变得更加复杂。为了简化这一设计过程,本文将讨论一种被称作脉宽调制(PWM)LED亮度调节的设计方法,其允许LED负载随亮度调节变化的同时让dc/dc传输函数保持恒定。

  研究传输函数(M(f))的LLC谐振半桥dc/dc

  LLC谐振半桥控制器dc/dc(请参见图1)是一种脉冲频率调制(PFM)控制拓扑。半桥FET(QA和QB)异相驱动180,并利用一个电压控制振荡器(VCO)调节/控制频率。这反过来又能调节谐振电感(Lr)形成的分压器阻抗、变压器磁电感(LM)、反射等效阻抗(RE)和谐振电容器(Cr)进行调节。仅有LM中形成的电压通过变压器匝数比(a1)反射至次级线圈。


图1LLC谐振半桥/控制器

  可以标准化和简化一次谐波近似法传输函数M(f)的使用。标准化的频率(fn)被定义为开关频率除以谐振频率(fO)。尽管只是一种近似值方法,但在理解M(f)如何随输入电压、负载和开关频率变化而变化时,该简化方程式还是非常有用的。

  调节dc电流以调节LED亮度

  LLC谐振LED驱动器中实现LED亮度调节的一种方法是调节通过LED的dc电流。这样做存在一个问题:DC电流变化后,LLC的输出阻抗也随之改变。如果考虑不周,则这种变化会带来M(f)变化,从而使LED驱动器设计变得更加复杂。

  负载变化带来的问题

  设计一个半桥转换器并不是一件容易的事情。设计人员要根据ZVS要求选择磁化电感(LM)。他们还要调节a1、Cr和Lr,以获得理想的M(f)和频率工作范围。但是,M(f)会随Q变化而改变,而Q又会随着输出负载(RL)变化而变化。详情请参见图2。

  谐振LLC半桥LED的M(f)变化会使电压环路补偿和变压器选择变得更加困难、复杂和混乱,因为在设计过程中需要考虑的各种变化实在太多了。


图2M(f)随负载而变化

  不断变化的LLC增益曲线(M(f))会在反馈环路中引起电压控制振荡器(VCO)的控制问题。VCO一般由一个反馈误差放大器控制(EA(参见图1))。开关频率随EA输出升高而降低以提高LLC增益,并在EA输出下降时增高。理想情况下,在一个LLC半桥设计中,M(f)增益需在其最大开关频率下以最小值开始,同时M(f)随频率降低而上升。

  正常工作时的理想M(f)范围为虚线右侧部分(请参见图2)。把这一区域称作电感区,这时LLC工作在ZVS下。虚线左边为电容区,在该区域内主级开关节点上没有ZVS。在大信号瞬态期间,EA会驱动VCO,要求更低的开关频率,以提高增益。结果是,M(f)增益工作在虚线左边区域,可能达不到理想增益,无法满足控制环路需求。

  这时,ZVS丢失,并且反馈环路会让LLC控制器一直锁闭在该区域内。现在,反馈误差放大器尝试要求更低的开关频率,以提高功率级无法达到的增益,因为转换器可能工作在图2中虚线的右边区域。ZVS丢失时,FETQA和QB消耗更多功率,FET会因过热而损坏。为了避免设计中出现这种问题,需要对所有M(f)曲线进行分析,然后适当地限制最小开关频率(f),以防止转换器(M(f))工作在图2中虚线的左侧区域。

  对于要求亮度调节的LLC谐振半桥LED驱动器而言,简化设计过程的一种方法是使用一种被称为PWM亮度调节的技术。图3显示了一个LLC转换器的功能原理图,它的LLC控制器便使用了这种PWM亮度调节技术。在我们的例子中,本文使用了UCC25710。


图3使用PWM亮度调节技术的LLC半桥LED驱动器。

  这种技术利用一个控制FETQC的固定低频信号(DIM),它以逻辑方式添加至QA和QBFET驱动。DIM信号为高电平时,LED背光灯串被控制在某个固定峰值电流(VRS/RS)。一旦DIM变为低电平,QA、QB和QC立即关闭。QA、QB和QC关闭后,LED 二极管便停止导电,同时输出电容器(COUT)存储能量,以备准时开始下一个DIM周期。更多详情,请参见图4所示波形。


图4PWM亮度调节波形

  通过调节DIM信号的占空比(D)实现对平均二极管电流(ID)的调节,从而控制LED的亮度。

  尽管 LLC谐振半桥从主级到次级为LED供电,但是负载(RL)到LLC传输函数(M(f))依然恒定,即使LED的平均电流随占空比而变化。

  使用固定RL且给定Lr、Cr和LM时,等效反射阻抗(RE)恒定,Q保持不变。这时仅得到一条M(f)曲线,其随频率(请参见图5)变化,而不受使用变量RL的传统LED亮度调节方法得到的多条曲线(请参见图2)的影响。在设计中只处理一条M(f)曲线,让环路补偿和变压器选择变得更加简单,从而简化设计过程。另外,设置最小开关频率时还需要注意另一条曲线,以确保ZVS得到维持。这时,最小f设置为单M(f)曲线的峰值(请参见图5)。


图5使用PWM亮度调节技术驱动LED的M(f)

  设计一个 LED 驱动用LLC谐振半桥转换器并不容易。传统LLC的dc/dc增益随负载变化会有较大范围的变化。这就需要对许多条增益曲线进行评估。这让环路补偿和变压器设计/选择变得更加复杂和混乱。要想简化设计过程,把LLC和PWM亮度调节技术组合使用是一种较为理想的选择。这是因为LLC在供能期间会承受固定负载(RL),但在亮度调节期间LED电流会出现变化。结果是,LLC增益变化更小,从而让环路补偿和变压器选择/设计更加简单。

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