LLC LED 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。這些新型薄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 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
等效反射阻抗:
(方程式 1)
變壓器匝數比:
(方程式 2)
(方程式 3)
我們可以標準化和簡(jiǎn)化一次諧波近似法 [1] 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。
標準化 LLC 半橋增益:
(方程式 4)
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 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。
(方程式 5)
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。
(方程式 6)
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 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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