在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，電路效率與成本是LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，在選用驅(qū)動(dòng)器時(shí)的考量重點(diǎn)。為符合市場(chǎng)期待，以隔離轉(zhuǎn)換器結(jié)合LED定電流控制的雙級(jí)架構(gòu)取代三級(jí)架構(gòu)是趨勢(shì)，而高效率LLC轉(zhuǎn)換器則是這類設(shè)計(jì)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(dòng)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多采用三級(jí)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(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)驅(qū)動(dòng)器的電路效率與成本越來(lái)越重視，故隔離轉(zhuǎn)換器結(jié)合LED定電流控制的雙級(jí)架構(gòu)可符合市場(chǎng)之期待，而高效率的LLC轉(zhuǎn)換器則為首選。

　　打破LED三級(jí)驅(qū)動(dòng)觀念雙級(jí)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯

　　在中功率LED應(yīng)用中，相較于三級(jí)架構(gòu)，雙級(jí)架構(gòu)所帶來(lái)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(duì)第二級(jí)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(jí)與次級(jí)功率元件的電壓額定，故可望被采用于LED驅(qū)動(dòng)級(jí)，如圖1。

圖1 中功率LED應(yīng)用的雙級(jí)架構(gòu)示意圖

　　然而，對(duì)于寬電壓輸出應(yīng)用，電源設(shè)計(jì)者多缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而仍沿用返馳式轉(zhuǎn)換器來(lái)涵蓋至中功率范圍，無(wú)法進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)電路的性能。本文將由LLC工作原理帶領(lǐng)讀者認(rèn)識(shí)廣范圍輸出電壓LLC的設(shè)計(jì)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(duì)于電路效率之貢獻(xiàn)在于協(xié)助功率開(kāi)關(guān)于零電壓切換，減少切換損耗。其透過(guò)控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)輸出能量，于開(kāi)關(guān)換相時(shí)間前，帶走原先儲(chǔ)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(jì)，不過(guò)前提是變壓器激磁電感或漏感的儲(chǔ)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間若為對(duì)稱，使變壓器儲(chǔ)能與釋能時(shí)間相同，可平均次級(jí)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(jiàn)的有串聯(lián)諧振(SRC)、LLC與LCC轉(zhuǎn)換器。

圖2 諧振電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)零電壓切換

　　LLC轉(zhuǎn)換器于輕載情況下可透過(guò)激磁電感的充放電來(lái)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(duì)LED有大幅輸出電壓變動(dòng)的應(yīng)用，更是難以找到操作點(diǎn)。

　　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(guò)去LCC常應(yīng)用于氣體放電燈，可輕易達(dá)到高壓點(diǎn)火(Ignite)電壓，穩(wěn)態(tài)操作下亦為零電壓切換。但對(duì)于轉(zhuǎn)換器效率而言，初級(jí)開(kāi)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(píng)估階段。針對(duì)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(chǎng)合，且針對(duì)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(dòng)器進(jìn)入脈沖模式(Burstmode)，因?yàn)闀?huì)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(shí)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(duì)于諧振槽可考慮采取單一輸入電壓的最佳化設(shè)計(jì)。

　　為簡(jiǎn)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(jiǎn)化次級(jí)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(duì)增益曲線如圖5，其最簡(jiǎn)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L(zhǎng)R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(shí)現(xiàn)寬廣輸出電壓范圍，須先定義LED的電壓變動(dòng)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(dòng)電流與溫度變化范圍內(nèi)的上下限，而LED驅(qū)動(dòng)電路在開(kāi)路情況下若穩(wěn)定在特定電壓，Rac可視為無(wú)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(guò)高將影響穩(wěn)定性

　　針對(duì)LLC工作頻率范圍，應(yīng)避免操作于過(guò)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(diǎn)，因此可將頻率操作范圍設(shè)計(jì)在LR，CR的左半平面，但仍注意切換頻率不可過(guò)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(jì)流程供設(shè)計(jì)者參考：

　　1.定義操作范圍：針對(duì)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(jì)之切換頻率與開(kāi)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(guò)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(duì)的切換頻率。對(duì)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(jí)電感與CR的共振點(diǎn)，以達(dá)到更高的共振電壓。若輸出電壓無(wú)大范圍需求，可選定較大的k值，并操作在諧振點(diǎn)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L(zhǎng)ED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(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與系統(tǒng)規(guī)格如表1，其中FP為初級(jí)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(kāi)路狀態(tài)(Rac無(wú)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(shí)驗(yàn)LLC轉(zhuǎn)換器搭配之前級(jí)PFC為邊界導(dǎo)通模式之升壓型轉(zhuǎn)換器。

圖6 增益設(shè)計(jì)曲線圖

　　實(shí)測(cè)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(jí)電流波形，波形所見(jiàn)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(jí)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(kāi)路時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流波形，開(kāi)路電壓設(shè)定于90V。

圖7 高壓輸出之初級(jí)諧振電流波形

圖8 低壓輸出之初級(jí)諧振電流波形

圖9 輸出開(kāi)路之初級(jí)諧振電流波形

　　掌握LLC特性LED驅(qū)動(dòng)器高效又安全

　　雖然將LLC應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)器具有成本與效率上的優(yōu)勢(shì)，但為了確保系統(tǒng)的可靠度，設(shè)計(jì)人員仍須避免讓PWMIC在電容區(qū)操作。本實(shí)驗(yàn)采用ICL5101作為PFC與LLC控制晶片，該晶片透過(guò)LLC電流偵測(cè)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(kāi)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(shí)間(Dead Time)不足，設(shè)計(jì)人員可偵測(cè)MOSFET汲源級(jí)電壓時(shí)序，做為閘級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的依據(jù)，可避免開(kāi)關(guān)同時(shí)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(jí)架構(gòu)更具有效率與成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。LLC寬范圍輸出電壓的設(shè)計(jì)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(shí)導(dǎo)通以及透過(guò)簡(jiǎn)易外部元件之設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)亮性能。