基于LCC拓撲的2相輸入300W AC-DC LED電源

近年來(lái)，諧振變換器的熱度越來(lái)越高，被廣泛用于計算機服務(wù)器、電信設備、燈具和消費電子等各種應用場(chǎng)景。諧振變換器可以很容易地實(shí)現高能效，其固有的較寬的軟開(kāi)關(guān)范圍很容易實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)，這是一個(gè)關(guān)鍵的吸引人的特性。本文著(zhù)重介紹一個(gè)以半橋LCC諧振變換數字控制和同步整流為特性的300W電源。

圖1所示的STEVAL-LLL009V1是一個(gè)數控300W電源。原邊組件包括PFC級和DC-DC功率級(半橋LCC諧振變換器)，副邊組件包括同步整流電路和STM32F334微控制器，其中STM32F334微控制器對DC-DC功率級(半橋LCC諧振變換器)和輸出同步整流進(jìn)行數字控制，而功率因數校正(PFC)級基于L6562ATD臨界模式PFC控制器。

評估套件的工作模式可以按照需要設為恒定電壓（CV）模式或恒定電流（CC）。 板載快速保護電路提供所有的必備的保護功能，并且具有很高的可靠性。在270-480V交流輸入和整個(gè)負載范圍內，對評估套件進(jìn)行了性能測評，試驗結果證明，電能質(zhì)量參數在IEC 61000-3-2通用交流電源諧波標準的可接受范圍內。

前言

本文提出的解決方案采用數字變換控制方法，而不是基于模擬IC的標準設計。數控方法的主要優(yōu)點(diǎn)是設置靈活，可以在任何給定條件下即時(shí)調整參數和工作點(diǎn)，無(wú)需更改任何硬件，而模擬控制只能在特定范圍內調整。數字控制方法只用一顆芯片就能實(shí)現調光方法(模擬或數字)、調光控制(0-10V，無(wú)線(xiàn)通信)、調光分辨率、溫度監控、各種保護、通信連接等高級功能，因而系統成本更劃算，實(shí)現起來(lái)也比模擬方法更容易。此外，在噪聲較高的工況下，數控方法可保證電源具有更高的穩定性：數控電源不易受元器件公差、溫度變化、電壓漂移等因素的影響。

圖1 STEVAL-LLL009V1評估套件

系統概述

STEVAL-LLL009V1評估套件有恒定電壓（CV）和恒定電流（CC）兩種模式，恒壓模式（CV）可將270V-480V交流電輸入轉為48 V恒定電壓、最大電流6.25 A的直流電輸出；恒流模式(CC)可以輸出36V-48V的6.25 A直流電流。通過(guò)撥動(dòng)主電源板上的開(kāi)關(guān)SW1，可以將評估套件設為CV模式或CC模式。

DC-DC功率級叫做原邊電源層，而微控制器級叫做副邊電源層，微控制器向電隔離半橋柵極驅動(dòng)器STGAP2DM發(fā)送控制信號，驅動(dòng)DC-DC功率級MOSFET開(kāi)關(guān)管。

圖2是STEVAL-LLL009V1評估套件的框圖，該評估套件嵌入了原副邊需要的拓撲電路和元器件。

評估板提供一個(gè)0-10V的輸入，用于控制LED的亮度。僅當評估套件在恒流(CC)模式下運行時(shí)，調光控制0-10V輸入才適用。 STEVAL-LLL009V1評估套件實(shí)現了模擬調光方法，電流分辨率為1％。

評估板上還插接了一個(gè)有隔離放大器的子板，用于檢測PFC的輸出電壓，該輸出電壓也是DC-DC功率級的輸入電壓。

PFC級基于MDmeshTM K5功率MOSFET；為實(shí)現高能效，LCC變換器的半橋采用MDmeshTM DK5功率MOSFET。副邊同步整流（SR）電路采用STripFETTM F7功率MOSFET，以減少通態(tài)損耗。

評估套件配備了完善的安全保護功能，例如，開(kāi)路保護、短路保護、諧振電流保護、DC-DC功率級輸入欠壓保護和過(guò)壓保護。

基于VIPer267KDTR的離線(xiàn)反激變換器向原副邊電路供電，包括控制板、柵極驅動(dòng)器IC和信號調理電路。

實(shí)驗結果表明，在寬輸入電壓和寬負載條件下，評估板取得了較高的電源能效，功率因數接近一，較低的THD％失真率，這歸功于意法半導體的功率器件的出色性能，以及使用STM32F334 32位微控制器實(shí)現的控制策略。

圖2 STEVAL-LLL009V1評估套件框圖

諧振變換器

DC-DC功率級將PFC輸出電壓變?yōu)樗璧妮敵鲭妷骸?DC-DC功率變換級有多種拓撲可用，例如，LLC諧振變換器。每種拓撲都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。充電器和LED照明之類(lèi)的應用可能要求電隔離的DC-DC功率級處理較寬的輸入或輸出電壓。 考慮到這些要求，在STEVAL-LLL009V1的DC-DC功率級中實(shí)現了半橋LCC諧振拓撲，如圖3所示。

圖3 具有同步整流功能的半橋LCC諧振變換級

在STEVAL-LLL009V1中，并聯(lián)電容器Cp連接到變壓器的副邊，因此，同步整流的寄生電容和變壓器的漏感成為諧振回路的一部分。

PFC輸出電壓為大容量的Bulk電容器充電，以生成穩定的DC-BUS電流。 半橋配置MOSFET開(kāi)關(guān)在GND和DC-BUS之間產(chǎn)生一個(gè)方波電壓波形， 并施加到由電容器Cr、電容器Cp（位于副邊）、電感器Lr和隔離變壓器組成的LCC諧振回路。

以50％的PWM占空比和適當的死區時(shí)間驅動(dòng)LCC諧振變換器的半橋高壓MOSFET 開(kāi)關(guān)。因為近似正弦諧振的儲能電流始終滯后于電壓波形（電感區域），所以MOSFET輸出電容在下一次導通之前的死區時(shí)間內有時(shí)間放電，并實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）操作，如圖4所示。PWM開(kāi)關(guān)頻率控制器用于調節諧振回路的電壓升高幅度，并將變換器的電壓保持在電感區域內，使開(kāi)關(guān)管在整個(gè)工作范圍內保持ZVS操作，并減少開(kāi)關(guān)損耗。

圖4 在100%負載時(shí)HB-LCC級波形

表1 LCC與LLC諧振變換器對比

諧振變換器	LCC變換器		LLC 變換器
fr1
fr2
理想開(kāi)關(guān)區域	foperation > fr2	fr1 < foperation   < fr2
主要特性	LCC 頻率波動(dòng)小，在低負載工況下，可能不需要Burst Mode跳周期模式	LLC 的RMS 電流比LCC小 LLC的能效比 LCC高
框圖

我們用基本諧波分析(FHA)法分析了評估套件半橋LCC諧振變換器的增益。

根據使用FHA方法得出的增益計算公式以及為STEVAL-LLL009V1評估套件半橋LCC諧振轉換器選擇的LCC參數，我們得出增益與歸一化頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 HB LCC變換器-增益與歸一化頻率