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突破定电压输出限制 LLC革新LED驱动电路设计

导读: 在竞争激烈的市场环境下,电路效率与成本是LED系统设计者,在选用驱动器时的考量重点。为符合市场期待,以隔离转换器结合LED定电流控制的双级架构取代三级架构是趋势,而高效率LLC转换器则是这类设计的首选

  在竞争激烈的市场环境下,电路效率与成本是LED系统设计者,在选用驱动器时的考量重点。为符合市场期待,以隔离转换器结合LED定电流控制的双级架构取代三级架构是趋势,而高效率LLC转换器则是这类设计的首选。

  中功率LED电源应用于大型建物照明、路灯、广告看板与温室照明等,输出功率介于100~300W不等。传统上,这类LED驱动电源的电路拓扑结构大多采用三级架构,分别为升压型功因校正(Power Factor Collection,PFC)电路、隔离型直流转换器与降压转换器(Buck Converter)。

  然而,在竞争激烈的市场环境下,LED系统设计者对驱动器的电路效率与成本越来越重视,故隔离转换器结合LED定电流控制的双级架构可符合市场之期待,而高效率的LLC转换器则为首选。

  打破LED三级驱动观念双级架构优势明显

  在中功率LED应用中,相较于三级架构,双级架构所带来的效益为节省电路空间与成本,并提升整体转换器效率。而针对第二级架构选用LLC转换器能降低切换损耗,相较于返驰式转换器(FlybackConverter)能减少漏感损耗,亦降低初级与次级功率元件的电压额定,故可望被采用于LED驱动级,如图1。

图1 中功率LED应用的双级架构示意图

  然而,对于宽电压输出应用,电源设计者多缺乏设计经验而仍沿用返驰式转换器来涵盖至中功率范围,无法进一步提升驱动电路的性能。本文将由LLC工作原理带领读者认识广范围输出电压LLC的设计概念,主要宗旨在于掌握增益曲线的变化,即可定向的控制LED电流。

  谐振转换器对于电路效率之贡献在于协助功率开关于零电压切换,减少切换损耗。其透过控制开关导通时间,调节输出能量,于开关换相时间前,带走原先储存于MOSFET杂散电容上的电荷,并将此能量转送至输出端,配合谐振槽并振频率设计,不过前提是变压器激磁电感或漏感的储能足以带走杂散电容中的电荷,如图2所示。而谐振转换器的开关导通时间若为对称,使变压器储能与释能时间相同,可平均次级功率元件之电压与电流应力;此型谐振转换器采变频控制,常见的有串联谐振(SRC)、LLC与LCC转换器。

图2 谐振电路实现开关零电压切换

  LLC转换器于轻载情况下可透过激磁电感的充放电来调节输出电压,缩小轻载至满载的频率变化范围,而SRC则必须操作在极高频率才能维持轻载输出,若针对LED有大幅输出电压变动的应用,更是难以找到操作点。

  LCC藉由变压器端并联等效电容的路径,使谐振电容的电压摆幅更大,具备比其他谐振转换器更宽广的电压操作范围。过去LCC常应用于气体放电灯,可轻易达到高压点火(Ignite)电压,稳态操作下亦为零电压切换。但对于转换器效率而言,初级开关电流增加将造成更大的导通损失,使LCC架构目前仍多于评估阶段。针对LED应用,大多数客户皆要求有大范围电压输出,以利涵盖更多照明应用场合,且针对调光的要求更是严谨,尤其在光品质(Lightquality)部份。例如在极低输出功率情况下,LED应用仍不容许驱动器进入脉冲模式(Burstmode),因为会造成闪烁(Flicker)。

  唯一单纯的是,LED不同于资讯类产品要求保持时间(Hold-uptime),故在容许的PF值与电压应力范围内决定PFC输出电压,对于谐振槽可考虑采取单一输入电压的最佳化设计。

  为简化讨论,笔者将LED负载变化范围视为不同的直流电阻值,如图3所示。藉由简化次级直流电阻至一单纯交流电阻Rac,取得近似的等效模型。其中Rac可表示为公式1。

图3 LLC谐振交流等效电路

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