基于LCC拓扑的2相输入300W AC-DC LED电源

近年来，谐振变换器的热度越来越高，被广泛用于计算机服务器、电信设备、灯具和消费电子等各种应用场景。谐振变换器可以很容易地实现高能效，其固有的较宽的软开关范围很容易实现高频开关，这是一个关键的吸引人的特性。本文着重介绍一个以半桥LCC谐振变换数字控制和同步整流为特性的300W电源。

图1所示的STEVAL-LLL009V1是一个数控300W电源。原边组件包括PFC级和DC-DC功率级(半桥LCC谐振变换器)，副边组件包括同步整流电路和STM32F334微控制器，其中STM32F334微控制器对DC-DC功率级(半桥LCC谐振变换器)和输出同步整流进行数字控制，而功率因数校正(PFC)级基于L6562ATD临界模式PFC控制器。

评估套件的工作模式可以按照需要设为恒定电压(CV)模式或恒定电流(CC)。 板载快速保护电路提供所有的必备的保护功能，并且具有很高的可靠性。在270-480V交流输入和整个负载范围内，对评估套件进行了性能测评，试验结果证明，电能质量参数在IEC 61000-3-2通用交流电源谐波标准的可接受范围内。

前言

本文提出的解决方案采用数字变换控制方法，而不是基于模拟IC的标准设计。数控方法的主要优点是设置灵活，可以在任何给定条件下即时调整参数和工作点，无需更改任何硬件，而模拟控制只能在特定范围内调整。数字控制方法只用一颗芯片就能实现调光方法(模拟或数字)、调光控制(0-10V，无线通信)、调光分辨率、温度监控、各种保护、通信连接等高级功能，因而系统成本更划算，实现起来也比模拟方法更容易。此外，在噪声较高的工况下，数控方法可保证电源具有更高的稳定性：数控电源不易受元器件公差、温度变化、电压漂移等因素的影响。

图 1: STEVAL-LLL009V1评估套件

系统概述

STEVAL-LLL009V1评估套件有恒定电压(CV)和恒定电流(CC)两种模式，恒压模式(CV)可将270V-480V交流电输入转为48 V恒定电压、最大电流6.25 A的直流电输出;恒流模式(CC)可以输出36V-48V的6.25 A直流电流。通过拨动主电源板上的开关SW1，可以将评估套件设为CV模式或CC模式。

DC-DC功率级叫做原边电源层，而微控制器级叫做副边电源层，微控制器向电隔离半桥栅极驱动器STGAP2DM发送控制信号，驱动DC-DC功率级MOSFET开关管。

图2是STEVAL-LLL009V1评估套件的框图，该评估套件嵌入了原副边需要的拓扑电路和元器件。

评估板提供一个0-10V的输入，用于控制LED的亮度。仅当评估套件在恒流(CC)模式下运行时，调光控制0-10V输入才适用。 STEVAL-LLL009V1评估套件实现了模拟调光方法，电流分辨率为1%。

评估板上还插接了一个有隔离放大器的子板，用于检测PFC的输出电压，该输出电压也是DC-DC功率级的输入电压。

PFC级基于MDmeshTM K5功率MOSFET;为实现高能效，LCC变换器的半桥采用MDmeshTM DK5功率MOSFET。副边同步整流(SR)电路采用STripFETTM F7功率MOSFET，以减少通态损耗。

评估套件配备了完善的安全保护功能，例如，开路保护、短路保护、谐振电流保护、DC-DC功率级输入欠压保护和过压保护。

基于VIPer267KDTR的离线反激变换器向原副边电路供电，包括控制板、栅极驱动器IC和信号调理电路。

实验结果表明，在宽输入电压和宽负载条件下，评估板取得了较高的电源能效，功率因数接近一，较低的THD%失真率，这归功于意法半导体的功率器件的出色性能，以及使用STM32F334 32位微控制器实现的控制策略。

图2：STEVAL-LLL009V1评估套件框图

谐振变换器

DC-DC功率级将PFC输出电压变为所需的输出电压。 DC-DC功率变换级有多种拓扑可用，例如，LLC谐振变换器。每种拓扑都有其各自的优缺点。充电器和LED照明之类的应用可能要求电隔离的DC-DC功率级处理较宽的输入或输出电压。 考虑到这些要求，在STEVAL-LLL009V1的DC-DC功率级中实现了半桥LCC谐振拓扑，如图3所示。

图3：具有同步整流功能的半桥LCC谐振变换级

在STEVAL-LLL009V1中，并联电容器Cp连接到变压器的副边，因此，同步整流的寄生电容和变压器的漏感成为谐振回路的一部分。

PFC输出电压为大容量的Bulk电容器充电，以生成稳定的DC-BUS电流。 半桥配置MOSFET开关在GND和DC-BUS之间产生一个方波电压波形， 并施加到由电容器Cr、电容器Cp(位于副边)、电感器Lr和隔离变压器组成的LCC谐振回路。

以50%的PWM占空比和适当的死区时间驱动LCC谐振变换器的半桥高压MOSFET 开关。因为近似正弦谐振的储能电流始终滞后于电压波形(电感区域)，所以MOSFET输出电容在下一次导通之前的死区时间内有时间放电，并实现零电压开关(ZVS)操作，如图4所示。PWM开关频率控制器用于调节谐振回路的电压升高幅度，并将变换器的电压保持在电感区域内，使开关管在整个工作范围内保持ZVS操作，并减少开关损耗。

图4：在100%负载时HB-LCC级波形

表1：LCC与LLC谐振变换器对比