数字式LLC宽电压输出LED恒流驱动设计



数字式LLC宽电压输出LED恒流驱动设计

张绍军

（上海亚明照明有限公司201801)

0　引言

LED近年来快速发展，对传统光源的渗透率大幅提升。LED的本质是二极管，因此与普通二极管有相似的伏安特性。为了使LED可靠稳定的工作，应使LED工作在恒流状态。因此LED恒流源的可靠性和效率对照明系统极为重要。LLC是一种优良的电路拓扑，可工作在零电压开通和零电流关断状态，这减少了开关损耗、减轻了EMI，提高了电源效率，是一种可靠的实用的软开关技术。为了发挥LLC拓扑的优异性能，其工作点大多选在靠近在第一谐振点的左侧。在恒压输出的情况下，电路的增益要求是固定的，可以做到工作点靠近第一谐振点的左侧。在LED恒流输出中，输出电压范围比较大，这就要求电路的增益变化也要大，难以兼顾工作点的要求。

1　LLC拓扑原理和工作点的选择

LLC谐振变换器的独特性能可使其在全负载范围内实现软开关，并同时具备了并联谐振变换器的特点，如能工作在空载条件下，输出电流脉动小。其原理如图1所示，主要由三部份组成：Q1，Q2是互补开关，起逆变作用；电感Lr、电容Cr和主变压器的励磁电感Lm组成LLC谐振回路；主变压器的副边、整流二极管和输出电容组成整流滤电路，实现高高频交流到直流的转换。LLC电路的控制方式为调频控制。从图1可以看出，电路中存在两个电感Lr和Lm，它们分别与

Cr构成两个谐振频率fr1和fr2，其它计算公式如下：

为了实现MOS管的零电压开和整流二极管的零电流开关，工作频率fs一般选择在fs

DC电压Vin经过开关Q1，Q2逆变后，输给LLC谐振网络的是方波，而通过过LLC谐振网络的主要是正弦波，因此在计算电路增益时一般采取基波近似法，其公式如下：

图1　LLC电路拓扑

图2　LLC增益曲线

在LED驱动器上，LLC电路前级一般都有有源功率因校正，其不仅可以减少输入回路的谐波，提高功率因素，也为LLC变换提供稳定的DC电压。公式（3）在计算增益时，Vdc假设是恒定的，在数字式电源中，PFC通过数字方式实现，因此可以方便的根据输出电压的要求或输出增益的要求来调整Vdc的值。另外在上述的计算中还有一个重要的假设：Q1、Q2的占空比恒定为50%，并没有考虑死区时间。较长的死区时间可以降低低最小输出电压和最小输出电流式的工作频率， 比如原本150kHz对应的TON时间是3.23uS(100n死区） ，如果死区时间变为1uS，频率则变为1000/(2*3.23+2)=118kHz。dsPIC33FJ06GS102作为高性能16 位数字信号控制器用作数字电源的PWM驱动输出时，有宽范围的可调整死区时间。在新的恒流源设计，通过调整Vdc电压和LLC半桥的死区时间，来达到宽的输出电压调整。

2　恒流源硬件设计

本设计的宽输出电压LED恒流源电路主要有以下几个部份：EMI和整流滤波电路、辅助供电电路、有源功率校正（PFC）主体电路、LLC谐振回路、整流滤波部份以及以数字控制芯片dsPIC33FJ16GS502为基础的数字PFC和数字LLC控制部份。在数字控制部份还相关通信和调光接口电路。图3所示的就是本样机的电路示意图。

功率因素（PF）表征的是功率传输过程中有功功率与无功功率的比例关系。PF受两个因素的影响：电流相对于电压的相移（导致位移）；电流中存在谐波分量（导致失真），。图3所示的PFC电路是升压式，就是把整流滤波后的脉冲直流变为400-480V的直流，一般PFC电路输出的DC电压是稳压的，本样品的控制部份会根据输出电压的不同，调整DC输出电压值，以为LLC电路获得合适的增益。

图3　电路图

图4　PFC闭环控制图

本数字式PFC采用固定Ton，电感电流零电流开通的控制方式来达到输入电流跟随输入电压，获得高的PF。dsPIC控制芯片依据负载的不同，采取适当的算法，在一个输入电压周期内PWM1输出一个占空比近似固定的PWM去驱动Q1，图4是dsPIC有关PFC的闭环控制图。

在LLC谐振部份，采用了独立式Lr电感，输出电压在180-90之间电流恒定在1.11A，输出满载功率200W。在高输出电压180V时，PFC的输出电压为480V。而且此时半桥死区时间最小，既能够避免Q2和Q3可能的共通为原则。当输出电压为90V时，PFC输出DC电压为400V，死区时间最大，有效降低LLC回路增益。在设计LLC参数时，除了已知的输入DC电压，输出电压电流外，还要确定

谐振频率。LLC一个有趣的特点是在谐振点处，不管Q值多少，此处的增益都为1。其输出电压Vo=Vdc/2/N ，N为变压器的匝比。表1是本样品的设计参数。dsPIC控制器应该根据DC电压及输出要求，输出互补的PWM信号去驱Q2，Q3。并设定合适的死区时间。表 1第一组参数设计好后，如果PFC_DC电压和死区时间不变，当输出电压为90V时，工作频率要求提高到175KHZ。第三组参数通过降低PFC输出电压并增大死区时间大大降低了工作频率。

3　数字控制器及软件设计

美国微芯公司的dsPIC33FJ16GS502是一款出色的高性能16 位数字信号控制器，虽然是哈佛结构的内核，依然有16 x 16位乘法和除法运算，有多路高速PWM和AD转换，PWM有多种工作模式。支持多种通信方式，对于数字电源控制中最复杂的控制环路控制有多种支持。

本设计根据硬件电路设计了软件，其流程如图5所示。数字

图5　程序流程图

控制器上电复位后，应先进行初始设置。包括系统初始化和外设的初始化。系统时钟是程序运转和外设工作的基础。PWM和AD端口初始化，以为后续程序的执行。PFC和LLC都是闭环系统，在写代码前应制定好PI控制策略，并初始化PI控制量。PFC通过占比控制、LLC通过250KHZ往下的扫频方式来进行软启动，以减少回路的电应力。主程序通过定时中断轮询的方式来执行PFC和LLC的控制功能。如果电路在工作在出现故障，程序将进行故障处理子程序，并保持在这一状态，直到故障排除或电路重启。

4　结论

本文通过数字控制的方式，解决了LLC拓扑在宽电压输出的LED恒流源设计中工作频率变化范围大的问题。在LLC输出要求低增益时，通过降低PFC输出的DC电压，并适当增加半桥的死区时间，可以让LLC全工作范围内工作在谐振点的左边，达到高的电源效率和良好的EMI性能。

参考文献

[1] 张占松，《蔡宣三开关电源的原理与设计》，电子工业出版社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是一种优良的电源转换拓扑，特别在LED模组在向高电压低电流方向发展时，LLC成为了LED驱动非常合适的选择。LLC在宽范围输出电压恒流源设计中存在着挑战，很难兼顾高效率、低的EMI和宽的输出电压范围。数字电源在整体成本、功能可扩展性、可靠性、调光、通信等方面具有明显的优势。本文针对问题提出了新的设计思路，并用数字式的方法去实现了一台200W数字式恒流源样机，在两倍的输出电压范围内实现系统效率94%以上，同时具有良好的EMI性能。

关键词：数字式 LLC;宽电压输出;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