降低LED照明中LLC谐振转换器的待机功耗

导言

与传统的照明灯相比，LED灯具有高效率和长寿命特性，因而正在成为首选的灯具类型，以期降低室内和室外照明的能耗。设计用于LED灯供电的开关电源也应该具有高效率。除了在工作过程中具有高功率转换效率之外，开关电源的待机功耗正在成为关注的焦点。在不远的将来，待机功耗有望调整到低于1W，甚至300mW。本文将讨论一种简单但是有效的降低待机功耗的方法。采用合适的控制IC和优化的变压器设计，可以大幅降低待机功耗。

谐振拓扑

由于功率额定值和需要功率因数校正的原因，LED街灯的开关电源通常采用两级配置。对于下游转换器，引入了几种DC-DC功率转换拓扑，以便在获得高功率密度的同时，降低开关损耗、器件应力以及射频干扰。其中，谐振转换器被证明在获得高效率方面非常有效。尤其是LLC谐振转换器，能够在高输入电压和次级端整流器低电压应力的情况下获得高效率，因为在次级端没有电感。此外，LLC谐振转换器甚至可以在无负载情况下保证完成零电压开关(ZVS)工作。ZVS技术显著降低了开关损耗并提高了效率。零电压开关技术显著降低了开关噪声，这样可以减小电磁干扰滤波器的体积。由于具有这些独特的特点，LLC谐振转换器正在成为包括LED街灯在内的许多应用的流行拓扑。飞兆半导体的FAN7621具有构建可靠且耐用的LLC谐振转换器所需的所有功能。在轻负载条件下，该器件具有可编程限频脉冲跳频(pulse skipping)功能。当控制引脚电压降到0.4V以下时，停止开关操作，当电压升至0.6V以上时恢复开关。采用这一功能可以实现间歇工作，从而降低待机功耗。这一点非常重要，尤其对于LED灯应用，因为大多数LED灯开关电源没有独立的待机功率级。

谐振回路设计

在两级开关电源中，应当关闭PFC级，以满足待机功耗的规定，否则不容易获得低于1W的待机功耗。关闭PFC级的主要原因是因为大多数PFC控制器没有间歇工作的功能。这意味着PFC级总是在工作和消耗能量，即便是在无负载的条件下。因此，对于使用现有PFC控制器的设计来说，关闭PFC级是唯一可行的办法。在DC-DC级，FAN7621实现的间歇工作提供了很大的帮助。但是，应该配合经优化的变压器设计。通常，所设计的LLC谐振转换器在整个负载范围内的开关频率变化相对较小，这是LLC谐振转换器的一个主要特性，当开关频率与谐振频率相近时，增益特性几乎与负载无关，这是LLC谐振转换器的突出优势，因此，应该让LLC谐振转换器工作在谐振频率附近，以便最大限度地减小开关频率的变化。

然而，开关频率的变化过小会导致不良的待机功耗特性，因为脉冲跳频(pulse skipping)触发得太晚。开关频率的变化过小意味着转换器进入脉冲跳频时增益不足。为了获得足够的增益，在无负载条件下，开关频率应该较高。无负载时较高的开关频率对于待机功耗而言并不可取，因为平均功率更高了。因为间歇工作的触发电平是由控制IC设计设定的，所以使用普通谐振回路设计不太容易降低宽输入电压范围的待机功耗。因此，为了获得更好的待机功耗，希望开关频率有较宽的变化，同时脉冲跳频工作也是基本的功能。应该重新设计谐振回路，实现较宽的开关频率变化。图1为改进后的谐振回路设计。因为Lm和Lr之比的KL与LLC谐振转换器的增益有关，对变压器进行改进，使其具有较小的KL, 增大Lr并减小Lm。图2为改进谐振回路的开关频率的变化。从满负载到无负载，开关频率增加了大约15.6kHz。设计一个额定值200W的LLC谐振转换器，采用改进的谐振回路设计，表1为设计规格。其设计规格基本上与FAN7621参考设计(RD-324)相同。表2为RD-324和改进设计的待机功耗测试结果。前者的待机功耗高于1W。此外，由于增益不足，在低线路电压下，转换器没有工作。针对非常宽的输入电压范围，改进后的设计可以获得低于1W的待机功耗。对于高线路输入电压，可以使待机功耗保持在0.3W以下。

结论

本文讨论了一种简单但却是非常有效的降低LLC谐振转换器待机功耗的方法，改进的谐振回路设计和FAN7621的脉冲跳频功能可以在宽输入电压范围获得低于1W的待机功耗。所建议的方法对于LED照明应用极有吸引力，这些应用通常没有待机功率模块。

 

图1 实现低待机功耗的谐振回路设计

 

图2 开关频率变化

表1 LLC谐振转换器的设计参数

表2 待机功耗