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教你如何实现LLC LED驱动器简化设计
        来源:        作者:        发表时间:2014-10-21        阅读次数:558次

半桥是一种电路结构,由两个功率开关器件以图腾柱的形式相连接而成,向外提供方波信号。LLC电源是谐振电源的简称,这种电源利用变压器的漏感来为变压器的感量增加谐振电容。在电路设计当中,半桥LLC转换器的频率是会有所变化的,其主要由负载条件的改变而产生不同的变化。本篇文章就将对半桥LLC的工作状态进行讲解。
在半桥LLC的分立谐振回路中,能够定义两个谐振频率,分别是串联谐振频率Fs和最小谐振频率Fmin。其中:
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对功率的需求,很大程度上在决定着LLC转换电路所能产生的实际工作效率。功率需求较低时,工作频率相当高,超出谐振点。相反,功率需求较高时,控制环路会降低开关频率,使其中一个谐振频率提供负载所需大小的电流。总的来看,LLC转换器工作在5种不同的工作状态,分别是:在Fs和Fmin之间、直接谐振在Fs、高于Fs、在Fs和Fmin之间-过载、低于Fmin。
从特征上来说,还是能够对集成、分立这两种储能方式进行区分的。如漏电感LLK来自于变压器耦合,且LLK仅在变压器初级和次级之间存在能量转换时参与谐振。此外,一旦次级二级管在零电流开关(ZCS)条件下关闭,LLK就没有能量。对于半桥LLC而言,次级二极管始终处于关闭状态。谐振电感Ls和励磁电感Lm不会像分立谐振回路解决方案那样一起参与谐振。
集成储能电路解决方案也能够定义两种谐振频率,Fs和Fmin。其中:
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这种解决方案同样存在5种工作状态,分别是: 在Fs和Fmin之间、直接在谐振Fs、 高于Fs、在Fs和Fmin之间-过载、低于Fmin。
就如文章当中所说的,LLC转换电路能够产生的工作效率,很大程度上取决于对功率的需求。这点是在对半桥LLC谐振电路的工作状态进了分析之后得出的结论。希望大家通过这篇文章,能够对半桥LLC转换器有更加透彻的理解。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LLC LED驱动器的简化设计方法。
这类拓扑设计存在的一个问题是LLC dc/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。
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图1 LLC 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。
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图2 M(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,FET QA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。
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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 FET QC 的固定低频信号 (DIM),它以逻辑方式添加至QA 和 QB FET 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。
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图 4 PWM 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)。
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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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