LLC LED驱动器简化设计

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。

这类拓扑设计存在的一个问题是LLCdc/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。

图1LLC谐振半桥/控制器

我们可以标准化和简化一次谐波近似法传输函数M（f）的使用。M（f）的方程式4中，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。

图2M（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）。我们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，FETQA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。

PWM亮度调节简化设计过程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，我们使用了UCC25710.

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FETQC的固定低频信号（DIM），它以逻辑方式添加至QA和QBFET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。

图4PWM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）。

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。我们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。