在競爭激烈的市場環(huán)境下，電路效率與成本是LED系統(tǒng)設(shè)計者，在選用驅(qū)動器時的考量重點。為符合市場期待，以隔離轉(zhuǎn)換器結(jié)合LED定電流控制的雙級架構(gòu)取代三級架構(gòu)是趨勢，而高效率LLC轉(zhuǎn)換器則是這類設(shè)計的首選。

　　中功率LED電源應(yīng)用于大型建物照明、路燈、廣告看板與溫室照明等，輸出功率介于100～300W不等。傳統(tǒng)上，這類LED驅(qū)動電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多采用三級架構(gòu)，分別為升壓型功因校正(Power Factor Collection，PFC)電路、隔離型直流轉(zhuǎn)換器與降壓轉(zhuǎn)換器(Buck Converter)。

　　然而，在競爭激烈的市場環(huán)境下，LED系統(tǒng)設(shè)計者對驅(qū)動器的電路效率與成本越來越重視，故隔離轉(zhuǎn)換器結(jié)合LED定電流控制的雙級架構(gòu)可符合市場之期待，而高效率的LLC轉(zhuǎn)換器則為首選。

　　打破LED三級驅(qū)動觀念雙級架構(gòu)優(yōu)勢明顯

　　在中功率LED應(yīng)用中，相較于三級架構(gòu)，雙級架構(gòu)所帶來的效益為節(jié)省電路空間與成本，并提升整體轉(zhuǎn)換器效率。而針對第二級架構(gòu)選用LLC轉(zhuǎn)換器能降低切換損耗，相較于返馳式轉(zhuǎn)換器(FlybackConverter)能減少漏感損耗，亦降低初級與次級功率元件的電壓額定，故可望被采用于LED驅(qū)動級，如圖1。

圖1 中功率LED應(yīng)用的雙級架構(gòu)示意圖

　　然而，對于寬電壓輸出應(yīng)用，電源設(shè)計者多缺乏設(shè)計經(jīng)驗而仍沿用返馳式轉(zhuǎn)換器來涵蓋至中功率范圍，無法進一步提升驅(qū)動電路的性能。本文將由LLC工作原理帶領(lǐng)讀者認(rèn)識廣范圍輸出電壓LLC的設(shè)計概念，主要宗旨在于掌握增益曲線的變化，即可定向的控制LED電流。

　　諧振轉(zhuǎn)換器對于電路效率之貢獻在于協(xié)助功率開關(guān)于零電壓切換，減少切換損耗。其透過控制開關(guān)導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)輸出能量，于開關(guān)換相時間前，帶走原先儲存于MOSFET雜散電容上的電荷，并將此能量轉(zhuǎn)送至輸出端，配合諧振槽并振頻率設(shè)計，不過前提是變壓器激磁電感或漏感的儲能足以帶走雜散電容中的電荷，如圖2所示。而諧振轉(zhuǎn)換器的開關(guān)導(dǎo)通時間若為對稱，使變壓器儲能與釋能時間相同，可平均次級功率元件之電壓與電流應(yīng)力；此型諧振轉(zhuǎn)換器采變頻控制，常見的有串聯(lián)諧振(SRC)、LLC與LCC轉(zhuǎn)換器。

圖2 諧振電路實現(xiàn)開關(guān)零電壓切換

　　LLC轉(zhuǎn)換器于輕載情況下可透過激磁電感的充放電來調(diào)節(jié)輸出電壓，縮小輕載至滿載的頻率變化范圍，而SRC則必須操作在極高頻率才能維持輕載輸出，若針對LED有大幅輸出電壓變動的應(yīng)用，更是難以找到操作點。

　　LCC藉由變壓器端并聯(lián)等效電容的路徑，使諧振電容的電壓擺幅更大，具備比其他諧振轉(zhuǎn)換器更寬廣的電壓操作范圍。過去LCC常應(yīng)用于氣體放電燈，可輕易達到高壓點火(Ignite)電壓，穩(wěn)態(tài)操作下亦為零電壓切換。但對于轉(zhuǎn)換器效率而言，初級開關(guān)電流增加將造成更大的導(dǎo)通損失，使LCC架構(gòu)目前仍多于評估階段。針對LED應(yīng)用，大多數(shù)客戶皆要求有大范圍電壓輸出，以利涵蓋更多照明應(yīng)用場合，且針對調(diào)光的要求更是嚴(yán)謹(jǐn)，尤其在光品質(zhì)(Lightquality)部份。例如在極低輸出功率情況下，LED應(yīng)用仍不容許驅(qū)動器進入脈沖模式(Burstmode)，因為會造成閃爍(Flicker)。

　　唯一單純的是，LED不同于資訊類產(chǎn)品要求保持時間(Hold-uptime)，故在容許的PF值與電壓應(yīng)力范圍內(nèi)決定PFC輸出電壓，對于諧振槽可考慮采取單一輸入電壓的最佳化設(shè)計。

　　為簡化討論，筆者將LED負(fù)載變化范圍視為不同的直流電阻值，如圖3所示。藉由簡化次級直流電阻至一單純交流電阻Rac，取得近似的等效模型。其中Rac可表示為公式1。

圖3 LLC諧振交流等效電路

　　……公式1

　　該等效模型可繪出初步的頻率對增益曲線如圖5，其最簡化之增益方程式為公式2。

　　……公式2

　　其中，k為激磁電感與諧振電感之比例，F(xiàn)為LR與CR共振頻率的倍數(shù)。Rac已含括于Q中，其象征LED負(fù)載變化決定Q值大小。如公式3。

　　……公式3

　　由圖4增益曲線觀之，若要實現(xiàn)寬廣輸出電壓范圍，須先定義LED的電壓變動范圍與調(diào)光電流范圍，以擬出Rac變化界限。其中電壓變化范圍已考量LED串聯(lián)顆數(shù)，以及LED電壓在驅(qū)動電流與溫度變化范圍內(nèi)的上下限，而LED驅(qū)動電路在開路情況下若穩(wěn)定在特定電壓，Rac可視為無限大，或是采用間歇脈沖之控制模式。而調(diào)光部份，為了維持低亮度的調(diào)光品質(zhì)，不適合采用間歇脈沖控制，此易造成閃爍或微光(Shimmer)現(xiàn)象。

圖4 寬范圍電壓LED應(yīng)用的增益曲線圖

　　操作頻率過高將影響穩(wěn)定性

　　針對LLC工作頻率范圍，應(yīng)避免操作于過高的切換頻率，使得變壓器并聯(lián)等效雜散電容影響低調(diào)光的穩(wěn)定性。如圖5所示的高頻增益提升起因于存在雜散電容Cp的共振點，因此可將頻率操作范圍設(shè)計在LR，CR的左半平面，但仍注意切換頻率不可過于接近電容區(qū)。

圖5 并聯(lián)等效電容產(chǎn)生效應(yīng)的增益曲線圖

　　以下提供設(shè)計流程供設(shè)計者參考：

　　1.定義操作范圍：針對調(diào)光范圍與輸出電壓條件，擬定出Q變化倍數(shù)，例如最低調(diào)光為10%之額定電流，最大Rac與Q的變化倍數(shù)為10倍。擬出共振頻率(Fr)，此影響后續(xù)設(shè)計之切換頻率與開關(guān)切換損耗。

　　2.以Q為主要參數(shù)，可利用試算表將式1繪出數(shù)種k值之增益曲線圖，常用k值于2倍至10倍之間。

　　3.觀察Q變化范圍與電壓增益比例，從中挑選適合之增益曲線圖，過程中避免選擇操作在電容區(qū)，并考量PWMIC與MOSFET切換速度是否能支援相對的切換頻率。對于大輸出電壓范圍應(yīng)用，可將LED電壓增益下限定義于Fr附近，如此需要較高的增益(LED最高電壓)可操作于接近初級電感與CR的共振點，以達到更高的共振電壓。若輸出電壓無大范圍需求，可選定較大的k值，并操作在諧振點以提升效率。此步驟已決定K與Q值范圍，以及LLC增益之上限與下限。增益下限為LED的最低工作電壓。

　　4.前文提及LLC操作區(qū)域多落于增益曲線Fr的左半平面，故可由增益下限推導(dǎo)圈數(shù)比如公式4。

　　……公式4

　　將公式1代入公式3可得公式5。

　　……公式5

　　加上公式6：

　　……公式6

　　從公式5與公式6所組成的聯(lián)立方程式，可解得LR、CR，LM則為K倍LR。

　　以下參考設(shè)計的實驗參數(shù)與系統(tǒng)規(guī)格如表1，其中FP為初級等效電感與CR的共振頻率。增益操作曲線如圖6，其中輕載曲線Io.min幾乎為重疊，而開路狀態(tài)(Rac無窮大)的增益曲線亦接近于低調(diào)光電流Io.min的曲線，故可視為近似。本實驗LLC轉(zhuǎn)換器搭配之前級PFC為邊界導(dǎo)通模式之升壓型轉(zhuǎn)換器。

圖6 增益設(shè)計曲線圖

　　實測LED輸出電壓與調(diào)光電流上下限之諧振電流波形，切換頻率皆介于Fr與Fp之間。圖7為高壓輸出滿載與最低調(diào)光之初級電流波形，波形所見于于平坦處有些微振鈴現(xiàn)象，此為變壓器之并聯(lián)雜散電容與激磁電感諧振所致，發(fā)生于次級電流截止期間，但不影響電路性能。圖8為高壓輸出滿載與最低調(diào)光的LLC電流波形。圖9為輸出開路時的穩(wěn)態(tài)電流波形，開路電壓設(shè)定于90V。

圖7 高壓輸出之初級諧振電流波形

圖8 低壓輸出之初級諧振電流波形

圖9 輸出開路之初級諧振電流波形

　　掌握LLC特性LED驅(qū)動器高效又安全

　　雖然將LLC應(yīng)用于LED驅(qū)動器具有成本與效率上的優(yōu)勢，但為了確保系統(tǒng)的可靠度，設(shè)計人員仍須避免讓PWMIC在電容區(qū)操作。本實驗采用ICL5101作為PFC與LLC控制晶片，該晶片透過LLC電流偵測電阻判斷電流方向，可準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)換器是否在電容區(qū)操作。

　　有關(guān)于LLC上下臂開關(guān)操作方面，為避免MOSFET雜散電容的誤差造成原先設(shè)定的死區(qū)時間(Dead Time)不足，設(shè)計人員可偵測MOSFET汲源級電壓時序，做為閘級開關(guān)導(dǎo)通的依據(jù)，可避免開關(guān)同時導(dǎo)通的情形發(fā)生而燒毀元件。

　　LLC應(yīng)用于需要寬范圍輸出電壓的LED，比三級架構(gòu)更具有效率與成本競爭優(yōu)勢。LLC寬范圍輸出電壓的設(shè)計考量與方向，亦涵蓋安定器系統(tǒng)可靠度與相關(guān)應(yīng)用之層面，例如電容區(qū)操作之避免、防止上下臂同時導(dǎo)通以及透過簡易外部元件之設(shè)計實現(xiàn)快速點亮性能。