LLC LED 驅動(dòng)器簡(jiǎn)化設計
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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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