LLC LED 驱动器简化设计
摘要：LED 负载随亮度调节变化时，PWM LED 亮度调节如何使 dc/dc 传输函数保持恒定
作者：MICHAEL O’LOUGHLIN，德州仪器 (TI) 高级应用工程师
TI 网站：www.ti.com
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。
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。
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，FET QA 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 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。
