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牛人分享:LLC LED驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2014-10-19 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】笨重老式的陰極射線管顯示器已經(jīng)隨著科技的進(jìn)步逐漸被取代。為了滿足市場(chǎng)需求,使用LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器給設(shè)備的發(fā)光二極管背光提供驅(qū)動(dòng),這種方式能夠是設(shè)備變得更薄,同時(shí)利用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān),設(shè)計(jì)出更高效的高功率密度設(shè)計(jì)。本文中針對(duì)這一理念使LLC LED驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

這類拓?fù)湓O(shè)計(jì)存在的一個(gè)問(wèn)題是LLC dc/dc傳輸函數(shù)會(huì)隨負(fù)載變化而出現(xiàn)明顯變化。但是,這樣會(huì)使在LED驅(qū)動(dòng)器中建立LLC控制器和補(bǔ)償電流環(huán)路變得更加復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化這一設(shè)計(jì)過(guò)程,本 文將討論一種被稱作脈寬調(diào)制(PWM)LED亮度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方法,其允許LED負(fù)載隨亮度調(diào)節(jié)變化的同時(shí)讓dc/dc傳輸函數(shù)保持恒定。
 
研究傳輸函數(shù)(M(f))的LLC諧振半橋dc/dc
 
LLC 諧振半橋控制器dc/dc(請(qǐng)參見圖 1)是一種脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制拓?fù)?。半橋FET(QA和QB)異相驅(qū)動(dòng)180,并利用一個(gè)電壓控制振蕩器(VCO)調(diào)節(jié)/控制頻率。這反過(guò)來(lái)又能 調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)。僅有LM中形成的電壓通過(guò)變壓器匝數(shù) 比(a1)反射至次級(jí)線圈。
 
牛人分享:LLC LED驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
圖1:LLC 諧振半橋/控制器
 
可以標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)化一次諧波近似法傳輸函數(shù) M(f) 的使用。標(biāo)準(zhǔn)化的頻率(fn)被定義為開關(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(fù)載和開關(guān)頻率變化而變化時(shí),該簡(jiǎn)化方程式還是非常有用的。
 
調(diào)節(jié)dc電流以調(diào)節(jié)LED亮度
 
LLC諧振LED驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)的一種方法是調(diào)節(jié)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(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。
 
負(fù)載變化帶來(lái)的問(wèn)題
 
設(shè)計(jì)一個(gè)半橋轉(zhuǎn)換器并不是一件容易的事情。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)ZVS要求選擇磁化電感(LM)。他們還要調(diào)節(jié)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)隨著輸出負(fù)載(RL)變化而變化。詳情請(qǐng)參見圖2。
諧振LLC半橋LED的M(f) 變化會(huì)使電壓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇變得更加困難、復(fù)雜和混亂,因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的各種變化實(shí)在太多了。
 
牛人分享:LLC LED驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
圖2:M(f) 隨負(fù)載而變化
 
不斷變化的LLC增益曲線(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(參見圖 1))。開關(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(shè)計(jì)中,M(f) 增益需在其最大開關(guān)頻率下以最小值開始,同時(shí)M(f)隨頻率降低而上升。
 
正常工作時(shí)的理想M(f)范圍為虛線右側(cè)部分(請(qǐng)參見圖2)。把這 一區(qū)域稱作電感區(qū),這時(shí)LLC工作在ZVS下。虛線左邊為電容區(qū),在該區(qū)域內(nèi)主級(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有ZVS。在大信號(hào)瞬態(tài)期間,EA會(huì)驅(qū)動(dòng)VCO,要求更低的 開關(guān)頻率,以提高增益。結(jié)果是,M(f)增益工作在虛線左邊區(qū)域,可能達(dá)不到理想增益,無(wú)法滿足控制環(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(qū)域內(nèi)?,F(xiàn)在,反饋誤差放大器嘗試要求更低的開關(guān)頻率,以提高功率級(jí)無(wú)法達(dá)到的增益,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器可能工作在圖2中虛線的右邊區(qū)域。ZVS丟失時(shí),F(xiàn)ET QA和QB消耗更多功率,F(xiàn)ET會(huì)因過(guò)熱而損壞。為了避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)這種問(wèn)題,需要對(duì)所有M(f) 曲線進(jìn)行分析,然后適當(dāng)?shù)叵拗谱钚¢_關(guān)頻率(f),以防止轉(zhuǎn)換器(M(f))工作在圖2中虛線的左側(cè)區(qū)域。
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對(duì)于要求亮度調(diào)節(jié)的 LLC 諧振半橋 LED 驅(qū)動(dòng)器而言,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程的一種方法是使用一種被稱為 PWM 亮度調(diào)節(jié)的技術(shù)。圖 3 顯示了一個(gè) LLC 轉(zhuǎn)換器的功能原理圖,它的 LLC 控制器便使用了這種 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)。在我們的例子中,本文使用了 UCC25710。
 
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圖 3:使用 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)的 LLC 半橋 LED 驅(qū)動(dòng)器
 
這種技術(shù)利用一個(gè)控制 FET QC 的固定低頻信號(hào) (DIM),它以邏輯方式添加至QA 和 QB FET 驅(qū)動(dòng)。DIM 信號(hào)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(dǎo)電,同時(shí)輸出電容器 (COUT)存儲(chǔ)能量,以備準(zhǔn)時(shí)開始下一個(gè) DIM 周期。更多詳情,請(qǐng)參見圖 4 所示波形。
 
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圖 4:PWM 亮度調(diào)節(jié)波形
 
通過(guò)調(diào)節(jié) DIM 信號(hào)的占空比 (D) 實(shí)現(xiàn)對(duì)平均二極管電流 (ID) 的調(diào)節(jié),從而控制 LED 的亮度。
 
盡管 LLC 諧振半橋從主級(jí)到次級(jí)為 LED 供電,但是負(fù)載 (RL) 到LLC傳輸函數(shù) (M(f)) 依然恒定,即使 LED 的平均電流隨占空比而變化。
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,其隨頻率(請(qǐng)參見圖 5)變化,而不受使用變量 RL 的傳統(tǒng) LED 亮度調(diào)節(jié)方法得到的多條曲線(請(qǐng)參見圖 2)的影響。在設(shè)計(jì)中只處理一條 M(f) 曲線,讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇變得更加簡(jiǎn)單,從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。另外,設(shè)置最小開關(guān)頻率時(shí)還需要注意另一條曲線,以確保 ZVS 得到維持。這時(shí),最小f設(shè)置為單 M(f) 曲線的峰值(請(qǐng)參見圖 5)。
 
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圖 5:使用 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)驅(qū)動(dòng) LED 的 M(f)
 
設(shè)計(jì)一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)用 LLC 諧振半橋轉(zhuǎn)換器并不容易。傳統(tǒng) LLC的dc/dc 增益隨負(fù)載變化會(huì)有較大范圍的變化。這就需要對(duì)許多條增益曲線進(jìn)行評(píng)估。這讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器設(shè)計(jì)/選擇變得更加復(fù)雜和混亂。要想簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,把 LLC 和 PWM 亮度調(diào)節(jié)技術(shù)組合使用是一種較為理想的選擇。這是因?yàn)?LLC 在供能期間會(huì)承受固定負(fù)載 (RL),但在亮度調(diào)節(jié)期間 LED 電流會(huì)出現(xiàn)變化。結(jié)果是,LLC 增益變化更小,從而讓環(huán)路補(bǔ)償和變壓器選擇/設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

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