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。这些新型薄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 LLC dc/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 1 LLC 谐振半桥/控制器
等效反射阻抗:
(方程式 1)
变压器匝数比:
(方程式 2)
(方程式 3)
我们可以标准化和简化一次谐波近似法 [1] 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。
标准化 LLC 半桥增益:
(方程式 4)
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 2 M(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。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 FET QC 的固定低频信号 (DIM),它以逻辑方式添加至QA 和 QB FET 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 4 PWM 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。
(方程式 5)
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。
(方程式 6)
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。
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