數字式LLC寬電壓輸出LED恒流驅動設計

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數字式LLC寬電壓輸出LED恒流驅動設計

張紹軍

（上海亞明照明有限公司201801)

0　引言

LED近年來快速發展，對傳統光源的滲透率大幅提升。LED的本質是二極管，因此與普通二極管有相似的伏安特性。為了使LED可靠穩定的工作，應使LED工作在恒流狀態。因此LED恒流源的可靠性和效率對照明系統極為重要。LLC是一種優良的電路拓撲，可工作在零電壓開通和零電流關斷狀態，這減少了開關損耗、減輕了EMI，提高了電源效率，是一種可靠的實用的軟開關技術。為了發揮LLC拓撲的優異性能，其工作點大多選在靠近在第一諧振點的左側。在恒壓輸出的情況下，電路的增益要求是固定的，可以做到工作點靠近第一諧振點的左側。在LED恒流輸出中，輸出電壓范圍比較大，這就要求電路的增益變化也要大，難以兼顧工作點的要求。

1　LLC拓撲原理和工作點的選擇

LLC諧振變換器的獨特性能可使其在全負載范圍內實現軟開關，并同時具備了并聯諧振變換器的特點，如能工作在空載條件下，輸出電流脈動小。其原理如圖1所示，主要由三部份組成：Q1，Q2是互補開關，起逆變作用；電感Lr、電容Cr和主變壓器的勵磁電感Lm組成LLC諧振回路；主變壓器的副邊、整流二極管和輸出電容組成整流濾電路，實現高高頻交流到直流的轉換。LLC電路的控制方式為調頻控制。從圖1可以看出，電路中存在兩個電感Lr和Lm，它們分別與

Cr構成兩個諧振頻率fr1和fr2，其它計算公式如下：

為了實現MOS管的零電壓開和整流二極管的零電流開關，工作頻率fs一般選擇在fs

DC電壓Vin經過開關Q1，Q2逆變后，輸給LLC諧振網絡的是方波，而通過過LLC諧振網絡的主要是正弦波，因此在計算電路增益時一般采取基波近似法，其公式如下：

圖1　LLC電路拓撲

圖2　LLC增益曲線

在LED驅動器上，LLC電路前級一般都有有源功率因校正，其不僅可以減少輸入回路的諧波，提高功率因素，也為LLC變換提供穩定的DC電壓。公式（3）在計算增益時，Vdc假設是恒定的，在數字式電源中，PFC通過數字方式實現，因此可以方便的根據輸出電壓的要求或輸出增益的要求來調整Vdc的值。另外在上述的計算中還有一個重要的假設：Q1、Q2的占空比恒定為50%，并沒有考慮死區時間。較長的死區時間可以降低低最小輸出電壓和最小輸出電流式的工作頻率， 比如原本150kHz對應的TON時間是3.23uS(100n死區） ，如果死區時間變為1uS，頻率則變為1000/(2*3.23+2)=118kHz。dsPIC33FJ06GS102作為高性能16 位數字信號控制器用作數字電源的PWM驅動輸出時，有寬范圍的可調整死區時間。在新的恒流源設計，通過調整Vdc電壓和LLC半橋的死區時間，來達到寬的輸出電壓調整。

2　恒流源硬件設計

本設計的寬輸出電壓LED恒流源電路主要有以下幾個部份：EMI和整流濾波電路、輔助供電電路、有源功率校正（PFC）主體電路、LLC諧振回路、整流濾波部份以及以數字控制芯片dsPIC33FJ16GS502為基礎的數字PFC和數字LLC控制部份。在數字控制部份還相關通信和調光接口電路。圖3所示的就是本樣機的電路示意圖。

功率因素（PF）表征的是功率傳輸過程中有功功率與無功功率的比例關系。PF受兩個因素的影響：電流相對于電壓的相移（導致位移）；電流中存在諧波分量（導致失真），。圖3所示的PFC電路是升壓式，就是把整流濾波后的脈沖直流變為400-480V的直流，一般PFC電路輸出的DC電壓是穩壓的，本樣品的控制部份會根據輸出電壓的不同，調整DC輸出電壓值，以為LLC電路獲得合適的增益。

圖3　電路圖

圖4　PFC閉環控制圖

本數字式PFC采用固定Ton，電感電流零電流開通的控制方式來達到輸入電流跟隨輸入電壓，獲得高的PF。dsPIC控制芯片依據負載的不同，采取適當的算法，在一個輸入電壓周期內PWM1輸出一個占空比近似固定的PWM去驅動Q1，圖4是dsPIC有關PFC的閉環控制圖。

在LLC諧振部份，采用了獨立式Lr電感，輸出電壓在180-90之間電流恒定在1.11A，輸出滿載功率200W。在高輸出電壓180V時，PFC的輸出電壓為480V。而且此時半橋死區時間最小，既能夠避免Q2和Q3可能的共通為原則。當輸出電壓為90V時，PFC輸出DC電壓為400V，死區時間最大，有效降低LLC回路增益。在設計LLC參數時，除了已知的輸入DC電壓，輸出電壓電流外，還要確定

諧振頻率。LLC一個有趣的特點是在諧振點處，不管Q值多少，此處的增益都為1。其輸出電壓Vo=Vdc/2/N ，N為變壓器的匝比。表1是本樣品的設計參數。dsPIC控制器應該根據DC電壓及輸出要求，輸出互補的PWM信號去驅Q2，Q3。并設定合適的死區時間。表 1第一組參數設計好后，如果PFC_DC電壓和死區時間不變，當輸出電壓為90V時，工作頻率要求提高到175KHZ。第三組參數通過降低PFC輸出電壓并增大死區時間大大降低了工作頻率。

3　數字控制器及軟件設計

美國微芯公司的dsPIC33FJ16GS502是一款出色的高性能16 位數字信號控制器，雖然是哈佛結構的內核，依然有16 x 16位乘法和除法運算，有多路高速PWM和AD轉換，PWM有多種工作模式。支持多種通信方式，對于數字電源控制中最復雜的控制環路控制有多種支持。

本設計根據硬件電路設計了軟件，其流程如圖5所示。數字

圖5　程序流程圖

控制器上電復位后，應先進行初始設置。包括系統初始化和外設的初始化。系統時鐘是程序運轉和外設工作的基礎。PWM和AD端口初始化，以為后續程序的執行。PFC和LLC都是閉環系統，在寫代碼前應制定好PI控制策略，并初始化PI控制量。PFC通過占比控制、LLC通過250KHZ往下的掃頻方式來進行軟啟動，以減少回路的電應力。主程序通過定時中斷輪詢的方式來執行PFC和LLC的控制功能。如果電路在工作在出現故障，程序將進行故障處理子程序，并保持在這一狀態，直到故障排除或電路重啟。

4　結論

本文通過數字控制的方式，解決了LLC拓撲在寬電壓輸出的LED恒流源設計中工作頻率變化范圍大的問題。在LLC輸出要求低增益時，通過降低PFC輸出的DC電壓，并適當增加半橋的死區時間，可以讓LLC全工作范圍內工作在諧振點的左邊，達到高的電源效率和良好的EMI性能。

參考文獻

[1] 張占松，《蔡宣三開關電源的原理與設計》，電子工業出版社2004版。

[2] Bo Yang，LLC Resonant Converter for Front end DC/DC Conversion，[Dissertation]，Blacksburg，Virginia Poly technic Institute and State University，2002。

[3] dsPIC33FJ06GS data sheet ,http://www.microchip. com/。

摘要：LLC是一種優良的電源轉換拓撲，特別在LED模組在向高電壓低電流方向發展時，LLC成為了LED驅動非常合適的選擇。LLC在寬范圍輸出電壓恒流源設計中存在著挑戰，很難兼顧高效率、低的EMI和寬的輸出電壓范圍。數字電源在整體成本、功能可擴展性、可靠性、調光、通信等方面具有明顯的優勢。本文針對問題提出了新的設計思路，并用數字式的方法去實現了一臺200W數字式恒流源樣機，在兩倍的輸出電壓范圍內實現系統效率94%以上，同時具有良好的EMI性能。

關鍵詞：數字式 LLC;寬電壓輸出;LED恒流源

Digital LLC wide voltage output LED constant current driver design

Zhang Shaojun

（Shanghai Ya Ming Lighting Co., Ltd. 201801)

Abstract：The LLC is a kind of high power converter topology, especially, with the growing trend of the LED module be in high voltage & low current. LLC has become a very appropriate choice of LED driver. The challenge exist in LLC design of wide voltage output constant current source , it is difficult to give attention to both high efficiency and low EMI and wide range of output voltage. Digital power supply with distinct advantage regarding as the overall cost, functionality, scalability, reliability, dimmer, the communication etc.This paper aims to put forward the new design concept of problem solving. A 200w prototype digital constant current source approached with digital processing, and 94% up system efficiency reached within twice as output of the voltage, as well as a good EMI performance fulfilled.

Keywords：Digital LLC; wide voltage output LED constant current source