數(shù)字式LLC寬電壓輸出LED恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

?

數(shù)字式LLC寬電壓輸出LED恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

張紹軍

（上海亞明照明有限公司201801)

0　引言

LED近年來(lái)快速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)光源的滲透率大幅提升。LED的本質(zhì)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(wěn)定的工作，應(yīng)使LED工作在恒流狀態(tài)。因此LED恒流源的可靠性和效率對(duì)照明系統(tǒng)極為重要。LLC是一種優(yōu)良的電路拓?fù)洌晒ぷ髟诹汶妷洪_(kāi)通和零電流關(guān)斷狀態(tài)，這減少了開(kāi)關(guān)損耗、減輕了EMI，提高了電源效率，是一種可靠的實(shí)用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。為了發(fā)揮LLC拓?fù)涞膬?yōu)異性能，其工作點(diǎn)大多選在靠近在第一諧振點(diǎn)的左側(cè)。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(diǎn)靠近第一諧振點(diǎn)的左側(cè)。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(diǎn)的要求。

1　LLC拓?fù)湓砗凸ぷ鼽c(diǎn)的選擇

LLC諧振變換器的獨(dú)特性能可使其在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，并同時(shí)具備了并聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)，如能工作在空載條件下，輸出電流脈動(dòng)小。其原理如圖1所示，主要由三部份組成：Q1，Q2是互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，起逆變作用；電感Lr、電容Cr和主變壓器的勵(lì)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(shí)現(xiàn)高高頻交流到直流的轉(zhuǎn)換。LLC電路的控制方式為調(diào)頻控制。從圖1可以看出，電路中存在兩個(gè)電感Lr和Lm，它們分別與

Cr構(gòu)成兩個(gè)諧振頻率fr1和fr2，其它計(jì)算公式如下：

為了實(shí)現(xiàn)MOS管的零電壓開(kāi)和整流二極管的零電流開(kāi)關(guān)，工作頻率fs一般選擇在fs

DC電壓Vin經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)Q1，Q2逆變后，輸給LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的是方波，而通過(guò)過(guò)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的主要是正弦波，因此在計(jì)算電路增益時(shí)一般采取基波近似法，其公式如下：

圖1　LLC電路拓?fù)?/p>

圖2　LLC增益曲線

在LED驅(qū)動(dòng)器上，LLC電路前級(jí)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L(zhǎng)LC變換提供穩(wěn)定的DC電壓。公式（3）在計(jì)算增益時(shí)，Vdc假設(shè)是恒定的，在數(shù)字式電源中，PFC通過(guò)數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，因此可以方便的根據(jù)輸出電壓的要求或輸出增益的要求來(lái)調(diào)整Vdc的值。另外在上述的計(jì)算中還有一個(gè)重要的假設(shè)：Q1、Q2的占空比恒定為50%，并沒(méi)有考慮死區(qū)時(shí)間。較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)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(duì)應(yīng)的TON時(shí)間是3.23uS(100n死區(qū)） ，如果死區(qū)時(shí)間變?yōu)?uS，頻率則變?yōu)?000/(2*3.23+2)=118kHz。dsPIC33FJ06GS102作為高性能16 位數(shù)字信號(hào)控制器用作數(shù)字電源的PWM驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)，有寬范圍的可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。在新的恒流源設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整Vdc電壓和LLC半橋的死區(qū)時(shí)間，來(lái)達(dá)到寬的輸出電壓調(diào)整。

2　恒流源硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的寬輸出電壓LED恒流源電路主要有以下幾個(gè)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(shù)字控制芯片dsPIC33FJ16GS502為基礎(chǔ)的數(shù)字PFC和數(shù)字LLC控制部份。在數(shù)字控制部份還相關(guān)通信和調(diào)光接口電路。圖3所示的就是本樣機(jī)的電路示意圖。

功率因素（PF）表征的是功率傳輸過(guò)程中有功功率與無(wú)功功率的比例關(guān)系。PF受兩個(gè)因素的影響：電流相對(duì)于電壓的相移（導(dǎo)致位移）；電流中存在諧波分量（導(dǎo)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?yōu)?00-480V的直流，一般PFC電路輸出的DC電壓是穩(wěn)壓的，本樣品的控制部份會(huì)根據(jù)輸出電壓的不同，調(diào)整DC輸出電壓值，以為L(zhǎng)LC電路獲得合適的增益。

圖3　電路圖

圖4　PFC閉環(huán)控制圖

本數(shù)字式PFC采用固定Ton，電感電流零電流開(kāi)通的控制方式來(lái)達(dá)到輸入電流跟隨輸入電壓，獲得高的PF。dsPIC控制芯片依據(jù)負(fù)載的不同，采取適當(dāng)?shù)乃惴?，在一個(gè)輸入電壓周期內(nèi)PWM1輸出一個(gè)占空比近似固定的PWM去驅(qū)動(dòng)Q1，圖4是dsPIC有關(guān)PFC的閉環(huán)控制圖。

在LLC諧振部份，采用了獨(dú)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(shí)，PFC的輸出電壓為480V。而且此時(shí)半橋死區(qū)時(shí)間最小，既能夠避免Q2和Q3可能的共通為原則。當(dāng)輸出電壓為90V時(shí)，PFC輸出DC電壓為400V，死區(qū)時(shí)間最大，有效降低LLC回路增益。在設(shè)計(jì)LLC參數(shù)時(shí)，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(gè)有趣的特點(diǎn)是在諧振點(diǎn)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(shè)計(jì)參數(shù)。dsPIC控制器應(yīng)該根據(jù)DC電壓及輸出要求，輸出互補(bǔ)的PWM信號(hào)去驅(qū)Q2，Q3。并設(shè)定合適的死區(qū)時(shí)間。表 1第一組參數(shù)設(shè)計(jì)好后，如果PFC_DC電壓和死區(qū)時(shí)間不變，當(dāng)輸出電壓為90V時(shí)，工作頻率要求提高到175KHZ。第三組參數(shù)通過(guò)降低PFC輸出電壓并增大死區(qū)時(shí)間大大降低了工作頻率。

3　數(shù)字控制器及軟件設(shè)計(jì)

美國(guó)微芯公司的dsPIC33FJ16GS502是一款出色的高性能16 位數(shù)字信號(hào)控制器，雖然是哈佛結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，依然有16 x 16位乘法和除法運(yùn)算，有多路高速PWM和AD轉(zhuǎn)換，PWM有多種工作模式。支持多種通信方式，對(duì)于數(shù)字電源控制中最復(fù)雜的控制環(huán)路控制有多種支持。

本設(shè)計(jì)根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)了軟件，其流程如圖5所示。數(shù)字

圖5　程序流程圖

控制器上電復(fù)位后，應(yīng)先進(jìn)行初始設(shè)置。包括系統(tǒng)初始化和外設(shè)的初始化。系統(tǒng)時(shí)鐘是程序運(yùn)轉(zhuǎn)和外設(shè)工作的基礎(chǔ)。PWM和AD端口初始化，以為后續(xù)程序的執(zhí)行。PFC和LLC都是閉環(huán)系統(tǒng)，在寫(xiě)代碼前應(yīng)制定好PI控制策略，并初始化PI控制量。PFC通過(guò)占比控制、LLC通過(guò)250KHZ往下的掃頻方式來(lái)進(jìn)行軟啟動(dòng)，以減少回路的電應(yīng)力。主程序通過(guò)定時(shí)中斷輪詢(xún)的方式來(lái)執(zhí)行PFC和LLC的控制功能。如果電路在工作在出現(xiàn)故障，程序?qū)⑦M(jìn)行故障處理子程序，并保持在這一狀態(tài)，直到故障排除或電路重啟。

4　結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)字控制的方式，解決了LLC拓?fù)湓趯掚妷狠敵龅腖ED恒流源設(shè)計(jì)中工作頻率變化范圍大的問(wèn)題。在LLC輸出要求低增益時(shí)，通過(guò)降低PFC輸出的DC電壓，并適當(dāng)增加半橋的死區(qū)時(shí)間，可以讓LLC全工作范圍內(nèi)工作在諧振點(diǎn)的左邊，達(dá)到高的電源效率和良好的EMI性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 張占松，《蔡宣三開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)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(yōu)良的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洌貏e在LED模組在向高電壓低電流方向發(fā)展時(shí)，LLC成為了LED驅(qū)動(dòng)非常合適的選擇。LLC在寬范圍輸出電壓恒流源設(shè)計(jì)中存在著挑戰(zhàn)，很難兼顧高效率、低的EMI和寬的輸出電壓范圍。數(shù)字電源在整體成本、功能可擴(kuò)展性、可靠性、調(diào)光、通信等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)問(wèn)題提出了新的設(shè)計(jì)思路，并用數(shù)字式的方法去實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)200W數(shù)字式恒流源樣機(jī)，在兩倍的輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率94%以上，同時(shí)具有良好的EMI性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)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