導(dǎo)言

與傳統(tǒng)的照明燈相比，LED燈具有高效率和長壽命特性，因而正在成為首選的燈具類型，以期降低室內(nèi)和室外照明的能耗。設(shè)計(jì)用于LED燈供電的開關(guān)電源也應(yīng)該具有高效率。除了在工作過程中具有高功率轉(zhuǎn)換效率之外，開關(guān)電源的待機(jī)功耗正在成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在不遠(yuǎn)的將來，待機(jī)功耗有望調(diào)整到低于1W，甚至300mW。本文將討論一種簡單但是有效的降低待機(jī)功耗的方法。采用合適的控制IC和優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)，可以大幅降低待機(jī)功耗。

諧振拓?fù)?/strong>

由于功率額定值和需要功率因數(shù)校正的原因，LED街燈的開關(guān)電源通常采用兩級配置。對于下游轉(zhuǎn)換器，引入了幾種DC-DC功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洌员阍讷@得高功率密度的同時，降低開關(guān)損耗、器件應(yīng)力以及射頻干擾。其中，諧振轉(zhuǎn)換器被證明在獲得高效率方面非常有效。尤其是LLC諧振轉(zhuǎn)換器，能夠在高輸入電壓和次級端整流器低電壓應(yīng)力的情況下獲得高效率，因?yàn)樵诖渭壎藳]有電感。此外，LLC諧振轉(zhuǎn)換器甚至可以在無負(fù)載情況下保證完成零電壓開關(guān)(ZVS)工作。ZVS技術(shù)顯著降低了開關(guān)損耗并提高了效率。零電壓開關(guān)技術(shù)顯著降低了開關(guān)噪聲，這樣可以減小電磁干擾濾波器的體積。由于具有這些獨(dú)特的特點(diǎn)，LLC諧振轉(zhuǎn)換器正在成為包括LED街燈在內(nèi)的許多應(yīng)用的流行拓?fù)?。飛兆半導(dǎo)體的FAN7621具有構(gòu)建可靠且耐用的LLC諧振轉(zhuǎn)換器所需的所有功能。在輕負(fù)載條件下，該器件具有可編程限頻脈沖跳頻(pulse skipping)功能。當(dāng)控制引腳電壓降到0.4V以下時，停止開關(guān)操作，當(dāng)電壓升至0.6V以上時恢復(fù)開關(guān)。采用這一功能可以實(shí)現(xiàn)間歇工作，從而降低待機(jī)功耗。這一點(diǎn)非常重要，尤其對于LED燈應(yīng)用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)LED燈開關(guān)電源沒有獨(dú)立的待機(jī)功率級。

諧振回路設(shè)計(jì)

在兩級開關(guān)電源中，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉PFC級，以滿足待機(jī)功耗的規(guī)定，否則不容易獲得低于1W的待機(jī)功耗。關(guān)閉PFC級的主要原因是因?yàn)榇蠖鄶?shù)PFC控制器沒有間歇工作的功能。這意味著PFC級總是在工作和消耗能量，即便是在無負(fù)載的條件下。因此，對于使用現(xiàn)有PFC控制器的設(shè)計(jì)來說，關(guān)閉PFC級是唯一可行的辦法。在DC-DC級，F(xiàn)AN7621實(shí)現(xiàn)的間歇工作提供了很大的幫助。但是，應(yīng)該配合經(jīng)優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)。通常，所設(shè)計(jì)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器在整個負(fù)載范圍內(nèi)的開關(guān)頻率變化相對較小，這是LLC諧振轉(zhuǎn)換器的一個主要特性，當(dāng)開關(guān)頻率與諧振頻率相近時，增益特性幾乎與負(fù)載無關(guān)，這是LLC諧振轉(zhuǎn)換器的突出優(yōu)勢，因此，應(yīng)該讓LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在諧振頻率附近，以便最大限度地減小開關(guān)頻率的變化。

然而，開關(guān)頻率的變化過小會導(dǎo)致不良的待機(jī)功耗特性，因?yàn)槊}沖跳頻(pulse skipping)觸發(fā)得太晚。開關(guān)頻率的變化過小意味著轉(zhuǎn)換器進(jìn)入脈沖跳頻時增益不足。為了獲得足夠的增益，在無負(fù)載條件下，開關(guān)頻率應(yīng)該較高。無負(fù)載時較高的開關(guān)頻率對于待機(jī)功耗而言并不可取，因?yàn)槠骄β矢吡?。因?yàn)殚g歇工作的觸發(fā)電平是由控制IC設(shè)計(jì)設(shè)定的，所以使用普通諧振回路設(shè)計(jì)不太容易降低寬輸入電壓范圍的待機(jī)功耗。因此，為了獲得更好的待機(jī)功耗，希望開關(guān)頻率有較寬的變化，同時脈沖跳頻工作也是基本的功能。應(yīng)該重新設(shè)計(jì)諧振回路，實(shí)現(xiàn)較寬的開關(guān)頻率變化。圖1為改進(jìn)后的諧振回路設(shè)計(jì)。因?yàn)長m和Lr之比的KL與LLC諧振轉(zhuǎn)換器的增益有關(guān)，對變壓器進(jìn)行改進(jìn)，使其具有較小的KL, 增大Lr并減小Lm。圖2為改進(jìn)諧振回路的開關(guān)頻率的變化。從滿負(fù)載到無負(fù)載，開關(guān)頻率增加了大約15.6kHz。設(shè)計(jì)一個額定值200W的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，采用改進(jìn)的諧振回路設(shè)計(jì)，表1為設(shè)計(jì)規(guī)格。其設(shè)計(jì)規(guī)格基本上與FAN7621參考設(shè)計(jì)(RD-324)相同。表2為RD-324和改進(jìn)設(shè)計(jì)的待機(jī)功耗測試結(jié)果。前者的待機(jī)功耗高于1W。此外，由于增益不足，在低線路電壓下，轉(zhuǎn)換器沒有工作。針對非常寬的輸入電壓范圍，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)可以獲得低于1W的待機(jī)功耗。對于高線路輸入電壓，可以使待機(jī)功耗保持在0.3W以下。

結(jié)論

本文討論了一種簡單但卻是非常有效的降低LLC諧振轉(zhuǎn)換器待機(jī)功耗的方法，改進(jìn)的諧振回路設(shè)計(jì)和FAN7621的脈沖跳頻功能可以在寬輸入電壓范圍獲得低于1W的待機(jī)功耗。所建議的方法對于LED照明應(yīng)用極有吸引力，這些應(yīng)用通常沒有待機(jī)功率模塊。

圖1 實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗的諧振回路設(shè)計(jì)

圖2 開關(guān)頻率變化

表1 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 待機(jī)功耗