在竞争激烈的市场环境下，电路效率与成本是LED系统设计者，在选用驱动器时的考量重点。为符合市场期待，以隔离转换器结合LED定电流控制的双级架构取代三级架构是趋势，而高效率LLC转换器则是这类设计的首选。
中功率LED电源应用于大型建物照明、路灯、广告看板与温室照明等，输出功率介于100～300W不等。传统上，这类LED驱动电源的电路拓扑结构大多采用三级架构，分别为升压型功因校正(Power Factor Collection，PFC)电路、隔离型直流转换器与降压转换器(Buck Converter)。
然而，在竞争激烈的市场环境下，LED系统设计者对驱动器的电路效率与成本越来越重视，故隔离转换器结合LED定电流控制的双级架构可符合市场之期待，而高效率的LLC转换器则为首选。
打破LED三级驱动观念双级架构优势明显
在中功率LED应用中，相较于三级架构，双级架构所带来的效益为节省电路空间与成本，并提升整体转换器效率。而针对第二级架构选用LLC转换器能降低切换损耗，相较于返驰式转换器(FlybackConverter)能减少漏感损耗，亦降低初级与次级功率元件的电压额定，故可望被采用于LED驱动级，如图1。
图1 中功率LED应用的双级架构示意图
然而，对于宽电压输出应用，电源设计者多缺乏设计经验而仍沿用返驰式转换器来涵盖至中功率范围，无法进一步提升驱动电路的性能。本文将由LLC工作原理带领读者认识广范围输出电压LLC的设计概念，主要宗旨在于掌握增益曲线的变化，即可定向的控制LED电流。
谐振转换器对于电路效率之贡献在于协助功率开关于零电压切换，减少切换损耗。其透过控制开关导通时间，调节输出能量，于开关换相时间前，带走原先储存于MOSFET杂散电容上的电荷，并将此能量转送至输出端，配合谐振槽并振频率设计，不过前提是变压器激磁电感或漏感的储能足以带走杂散电容中的电荷，如图2所示。而谐振转换器的开关导通时间若为对称，使变压器储能与释能时间相同，可平均次级功率元件之电压与电流应力；此型谐振转换器采变频控制，常见的有串联谐振(SRC)、LLC与LCC转换器。
图2 谐振电路实现开关零电压切换
LLC转换器于轻载情况下可透过激磁电感的充放电来调节输出电压，缩小轻载至满载的频率变化范围，而SRC则必须操作在极高频率才能维持轻载输出，若针对LED有大幅输出电压变动的应用，更是难以找到操作点。
LCC藉由变压器端并联等效电容的路径，使谐振电容的电压摆幅更大，具备比其他谐振转换器更宽广的电压操作范围。过去LCC常应用于气体放电灯，可轻易达到高压点火(Ignite)电压，稳态操作下亦为零电压切换。但对于转换器效率而言，初级开关电流增加将造成更大的导通损失，使LCC架构目前仍多于评估阶段。针对LED应用，大多数客户皆要求有大范围电压输出，以利涵盖更多照明应用场合，且针对调光的要求更是严谨，尤其在光品质(Lightquality)部份。例如在极低输出功率情况下，LED应用仍不容许驱动器进入脉冲模式(Burstmode)，因为会造成闪烁(Flicker)。
唯一单纯的是，LED不同于资讯类产品要求保持时间(Hold-uptime)，故在容许的PF值与电压应力范围内决定PFC输出电压，对于谐振槽可考虑采取单一输入电压的最佳化设计。
为简化讨论，笔者将LED负载变化范围视为不同的直流电阻值，如图3所示。藉由简化次级直流电阻至一单纯交流电阻Rac，取得近似的等效模型。其中Rac可表示为公式1。
图3 LLC谐振交流等效电路
……公式1
该等效模型可绘出初步的频率对增益曲线如图5，其最简化之增益方程式为公式2。
……公式2
其中，k为激磁电感与谐振电感之比例，F为LR与CR共振频率的倍数。Rac已含括于Q中，其象征LED负载变化决定Q值大小。如公式3。
……公式3
由图4增益曲线观之，若要实现宽广输出电压范围，须先定义LED的电压变动范围与调光电流范围，以拟出Rac变化界限。其中电压变化范围已考量LED串联颗数，以及LED电压在驱动电流与温度变化范围内的上下限，而LED驱动电路在开路情况下若稳定在特定电压，Rac可视为无限大，或是采用间歇脉冲之控制模式。而调光部份，为了维持低亮度的调光品质，不适合采用间歇脉冲控制，此易造成闪烁或微光(Shimmer)现象。
图4 宽范围电压LED应用的增益曲线图
操作频率过高将影响稳定性
针对LLC工作频率范围，应避免操作于过高的切换频率，使得变压器并联等效杂散电容影响低调光的稳定性。如图5所示的高频增益提升起因于存在杂散电容Cp的共振点，因此可将频率操作范围设计在LR，CR的左半平面，但仍注意切换频率不可过于接近电容区。
图5 并联等效电容产生效应的增益曲线图
以下提供设计流程供设计者参考：
1.定义操作范围：针对调光范围与输出电压条件，拟定出Q变化倍数，例如最低调光为10%之额定电流，最大Rac与Q的变化倍数为10倍。拟出共振频率(Fr)，此影响后续设计之切换频率与开关切换损耗。
2.以Q为主要参数，可利用试算表将式1绘出数种k值之增益曲线图，常用k值于2倍至10倍之间。
3.观察Q变化范围与电压增益比例，从中挑选适合之增益曲线图，过程中避免选择操作在电容区，并考量PWMIC与MOSFET切换速度是否能支援相对的切换频率。对于大输出电压范围应用，可将LED电压增益下限定义于Fr附近，如此需要较高的增益(LED最高电压)可操作于接近初级电感与CR的共振点，以达到更高的共振电压。若输出电压无大范围需求，可选定较大的k值，并操作在谐振点以提升效率。此步骤已决定K与Q值范围，以及LLC增益之上限与下限。增益下限为LED的最低工作电压。
4.前文提及LLC操作区域多落于增益曲线Fr的左半平面，故可由增益下限推导圈数比如公式4。
……公式4
将公式1代入公式3可得公式5。
……公式5
加上公式6：
……公式6
从公式5与公式6所组成的联立方程式，可解得LR、CR，LM则为K倍LR。
以下参考设计的实验参数与系统规格如表1，其中FP为初级等效电感与CR的共振频率。增益操作曲线如图6，其中轻载曲线Io.min几乎为重叠，而开路状态(Rac无穷大)的增益曲线亦接近于低调光电流Io.min的曲线，故可视为近似。本实验LLC转换器搭配之前级PFC为边界导通模式之升压型转换器。
图6 增益设计曲线图
实测LED输出电压与调光电流上下限之谐振电流波形，切换频率皆介于Fr与Fp之间。图7为高压输出满载与最低调光之初级电流波形，波形所见于于平坦处有些微振铃现象，此为变压器之并联杂散电容与激磁电感谐振所致，发生于次级电流截止期间，但不影响电路性能。图8为高压输出满载与最低调光的LLC电流波形。图9为输出开路时的稳态电流波形，开路电压设定于90V。
图7 高压输出之初级谐振电流波形
图8 低压输出之初级谐振电流波形
图9 输出开路之初级谐振电流波形
掌握LLC特性LED驱动器高效又安全
虽然将LLC应用于LED驱动器具有成本与效率上的优势，但为了确保系统的可靠度，设计人员仍须避免让PWMIC在电容区操作。本实验采用ICL5101作为PFC与LLC控制晶片，该晶片透过LLC电流侦测电阻判断电流方向，可准确判断转换器是否在电容区操作。
有关于LLC上下臂开关操作方面，为避免MOSFET杂散电容的误差造成原先设定的死区时间(Dead Time)不足，设计人员可侦测MOSFET汲源级电压时序，做为闸级开关导通的依据，可避免开关同时导通的情形发生而烧毁元件。
LLC应用于需要宽范围输出电压的LED，比三级架构更具有效率与成本竞争优势。LLC宽范围输出电压的设计考量与方向，亦涵盖安定器系统可靠度与相关应用之层面，例如电容区操作之避免、防止上下臂同时导通以及透过简易外部元件之设计实现快速点亮性能。
(审核编辑: 沧海一土)
