基于LLC谐振的LED驱动电源设计图文精.docx

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基于LLC谐振的LED驱动电源设计图文精

第４６卷第３期２０１２年３月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖ０１．４６，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ２０１２

基于ＬＬＣ谐振的ＬＥＤ驱动电源设计

张久庆，高

田，景占荣

（西北工业大学，陕西西安７１０１２９）

摘要：

针对大功率ＬＥＤ路灯照明应用，使用谐振拓扑结构解决驱动电源的效率问题。

驱动电路前级采用临界电流模式（ＢＣＭ）下的升压（Ｂｏｏｓｔ）拓扑实现ＡＣ／ＤＣ变换和ＰＦＣ功能，后级采用ＬＬＣ半桥拓扑构建ＤＣ／ＤＣ恒流源。

两级结构能充分利用Ｂｏｏｓｔ和ＬＬＣ的高效率特性，从而使整体效率较高。

介绍了电路工作原理和基本结构，详细讨论了主要磁芯元件的设计方法。

在此基础上制作了样机，实验结果表明，采用谐振拓扑的两级结构降低了开关损耗，可以高效率的驱动ＬＥＤ路灯。

关键词：

驱动电源：

发光二极管；高效率

中图分类号：

ＴＮ８６

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１０００—１００Ｘ（２０１２）０３—０００９—０３

ＬＬＣＲｅｓｏｎａｎｔ－ｂａｓｅｄＬＥＤＤｒｉｖｅｒＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＤｅｓｉｇｎ

ＺＨＡＮＧＪｉｕ—ｑｉｎｇ，ＧＡＯＴｉａｎ，ＪＩＮＧＺｈａｎ－ｔｏｎｇ

（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ

Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ

Ｕｎｉｖｅｒｓ渺，Ｘｉ’佩７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｆｏｒｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒＬＥＤｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｒｅｓｏｎａｎｔｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｐｏｗｅｒｅｆ－ｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ

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ＬＥＤｌｉｇｈｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｄｒｉｖｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ；ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ

Ｐｒｏｊｅｃｔ：

Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ

ｂｙＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｏｆ

ＮＷＰＵ（Ｎｏ．ＣＪ２０１０４０）

１

引言

ＬＥＤ驱动电源效率的要求正在不断提高。

传统的标准（或硬开关）反激式拓扑和双开关正激拓

扑已经逐渐被谐振或准谐振拓扑所取代。

电感、电感、电容（ＬＬＣ）三元件谐振变换器可实现全功率范围内主开关管零电压开关，次级整流二极管零电流开关。

极大地降低了电路开关损耗，从而成为解决电源效率问题极具潜力的方案。

此处应用ＬＬＣ谐振半桥拓扑作为ＤＣ／ＤＣ变换。

结

合前级Ｂｏｏｓｔ模式的ＡＣ／ＤＣ电路。

开发了一种大功率．高效率的ＬＥＤ驱动电源。

２

原理介绍

电路采取ＰＦＣ＋ＬＬＣ半桥的两级变换方案．其

中ＰＦＣ电路除了控制谐波外还具有电压调整功

基金项目：

西北工业大学基础研究基金（ＣＪ２０１０４０）

定稿日期：

２０１１—０９—２９

作者简介：

张久庆（１９８８一），男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为电力电子。

能，以便于控制谐振部分的频率变化范围，ＬＬＣ半桥采用开关恒流源设计方案。

即反馈控制中引入

电流环，相比其他恒压电源＋恒流模块的方式具有

更好的效率表现。

驱动电源结构如图１所示。

一鍪盆鋈鋈陋

输入

图１

Ｉ三Ｉ莶拘Ｄ；！

Ｃ；／Ｄ冀Ｃ鎏差竺卜．［母

变换Ｉ’ｌ竺竺：

竺竖ｌ

’

———广—一

Ｉ恒流

Ｌ压丽副籼ＰＦＣ预调节器以Ｂｏｏｓｔ拓扑实现，在ＢＣＭ模式

下，以Ｌ６５６２作为控制器。

ＢＣＭＢｏｏｓｔ的一大优势是，能够在下一个开关周期开始之前感测Ｂｏｏｓｔ电

感的去磁，使开关管零电流导通。

后级ＬＬＣ半桥

谐振变换器的原理示意图如图２所示。

由４部分构成：

①方波发生部分，其作用是将输入的直流电压斩波为方波：

②谐振网络部分。

提供一个随频率

可调的电压增益．同时得到谐振电流和电压的相

位差保证开关管ＺＶＳ的实现：

③理想变压器部分实现电压变比的作用：

④输出整流部分得到直流

功率输出。

ｑ

万方数据

第４６卷第３期２０１２年３月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖ０１．４６，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ２０１２

◆耋蒸差一篓

波发生

：

谐振网络篱输出整流

流二极管压降ｕ，ｆ＝０．７Ｖ，输出电流Ｌ＝６Ａ。

谐振频

ＬＬＣ谐振半桥的控制芯片采用ＦＳＦＲ２１００集

成控制芯片，该芯片内置高压ＭＯＳＦＥＴ，反馈端ＲＴ通过镜像电流源调整开关频率来调整谐振网络输出电压。

此外ＦＳＦＲ２１００芯片自带过温、过压保护，并且可以通过设置ＲＴ端电阻来限制开关频率范围，从而确保整个电路的可靠性。

３主要磁性元件设计

３．１

ＰＦＣ部分电感的设计

工作在恒定导通时间模式下．电感￡与开关

频率关系为［１Ｊ：

Ｌ：

堡啦（坠笪兰‰）

ｆ】、

‘

麓。

．豳釉ＰｊＨ

、１ｊ

式中：

￡‘。

一为输入电压有效值；以为ＰＦＣ输出电压；厶抽

为最低开关频率；Ｐｏ为输出功率；叼为效率。

考虑ＥＭＩ和控制芯片Ｌ６５６２要求，选取厶面＝

３５

ｋＨｚ，根据电路工作条件：

％，＝１７６～２６５

Ｖ，ｕｏ＝

３９０Ｖ，Ｐ０＝１８０Ｗ，叼＝９５％。

计算得到Ｌ＝２３０斗Ｈ。

磁芯的选择要保证最恶劣情况下，即输入电

压最低，电路的峰值电流最大时，也不会饱和。

具

体由电感方程确定：

ＬＩｐ＝ＮＡ。

曲

（２）

式中：

Ｌ为电感的峰值电流；ＡＢ为磁感应强调工作范围；

Ａ。

为磁芯等效截面积；Ⅳ为电感线圈匝数。

根据Ａ。

法【２】选择ＰＣ４０Ｅ１３０作为磁芯，实际应

用中需考虑铁损与铜损的平衡，由于峰值电流是

有效值电流的２．８倍左右，铁损会成为主要损耗。

因而选用的磁芯应该是Ａ。

较大而磁路较短的宽而扁的磁芯，同时适当增加电感匝数并开气隙，来

减小衄，以降低铁损。

３．２半桥变压器设计

按照基波分析法［３】，可以得到等效的网络增益

表达式以及简化式：

肘＝等＝ｌｊ瓦而ｊ（ａｊ∞＇（ｃｒＬ．）－＋ｊＬｒ∞）（Ｉ

Ｌ［ｎ托２Ｒ，，。

瓶ｌ（３）

肘：

墨ｆ型竺Ｚ

ｘ／［（ｋ＋１）（Ｏ）／（，Ｏｒ）２－１］２＋ｋ２Ｑ２（ｏ）ｌｏｏ，）２［（（／，）／（．Ｏｒ）２－１］２

（４）

式中：

巩’，以’表示输入、输出等效的基波分量；Ｌ，为变压器

漏感；Ｌ。

为变压器初级电感量；ｃｒ为谐振电容；ｒｔ为等效的

理想变压器匝比；Ｒ。

为等效阻抗，Ｒ。

＝８Ｖｄ（喊）；ｋ＝（Ｌｐ—

Ｌ，）／Ｌ，；∞Ｉ＝１，～７厶Ｇ；Ｑ＝１／（ｎ２Ｒ她）。

】０

佩≥１．‰＝１．５诤咏＿２

（５）

式中：

‰为电路所需最大增益；晦为谐振点增益；酞，，

‰分别为最大输出电压和谐振点输出电压。

可见，为电路最大增益的１．５倍。

篡强

文ｉ

ｌ．６

：

：

！

王ｏ

Ｑ

图３峰值增益与ｋ。

Ｑ取值关系曲线

由图３峰值增益曲线可知ｋ，Ｑ取值小可以获得较大的增益范围，但这样会增加电路损耗，实际取值应是满足增益条件后尽可能小的值【引。

此处

ｋ＝４，Ｑ＝Ｏ．３。

ｋ确定后，变压器实际匝比为：

舻ｎ、／竽＝＾ｙ／－Ｇ后１

Ｍ止器＝８．８（６）

由以上结果，谐振网络参数ｃｒ，厶，Ｌ。

计算式为：

Ｇ＝（２＂ｒｒＱｆｎ２Ｒ。

）。

１＝１７

ｎＦ

厶Ｌ爿＠篙２时１。

篙岬

，

（７）ｐ＝（ｋ＋ｌＬ，＝７４３

）¨Ｈ

、７

以蛳＝（Ｕｄ２）／（甜猡。

）

式中：

％袖为变压器初级最少匝数；Ｂ。

为磁芯最大不饱和

磁感应强度。

根据Ａ。

法选择ＰＣ４０ＥＥＲ３５４２作为磁芯，采用分槽结构的变压器可以形成较大漏感作为谐振电感，但是邻近效应变得严重造成铜损偏大，因而初级匝数应在保证磁芯不饱和情况下取得尽可能小，由Ⅳｐ血＝（巩／２）／（现邺ｉⅡｃ４猡。

）计算得到。

变压器绕线确定后，初级电感量通过气隙长度来调整。

４

实验

根据上述分析和设计结果，制作了实验样机。

主要元件参数为：

ＰＦＣ电感采用ＰＣ４０Ｅ１３０磁芯．

７５匝电感量为２８０斗Ｈ；ＰＣ４０ＥＥＲ３５４０磁芯用于半桥变压器，初级４５匝，次级５匝；￡。

＝６４５¨Ｈ；

Ｌ。

＝１４５¨Ｈ；谐振电容Ｃ，＝１５ｎＦ。

图４示出实验波

形和效率曲线。

万方数据

基于ＬＬＣ谐振的ＬＥＤ驱动电源设计

缸ｄｓｌｉ

．≯

－一

憾僻书静

ｔｆｆ２ｐｓ／格）

（ａ）ＰＦＣ开关管波形

．Ｈｌｎ

—氏

。

名每忒

飞＝形飞兰岁

ｔ／（４ｍｓ／格）

（ｃ）交流输入电流波形

Ｕ如ｈ

！

＿｜｜ｏ．ｒ

甜

ｉｐ

图４实验波形

图４ａ为满载输出时ＰＦＣ部分主功率管漏源

极电压Ｕ也。

和采样电阻上电流ｉＲ波形。

在ＭＯＳ管从关断到开通时，ｉ。

已经降为零，ｕ趣。

也下降到了一个较低的值，从而减少了导通过程的开关损耗。

图４ｂ为谐振点工作时，谐振半桥中下管的漏源极

电压配蛐波形和初级电流ｉ。

波形。

下边开关管在导通之前，ｉ，流过下管的体二极管，Ｍ“被箝位到零，因而减少了开关振荡，降低开关损耗。

图４ｃ为输入交流电压ｕ扒电流ｉ抽波形，电流、由图可见功率因数校正效果较好，ＥＭＩ较小。

图４ｄ为１５０Ｗ

和１８０Ｗ的效率叼曲线，整机的平均效率超过

９０％，最高效率可达９４％。

５

结论

采用ＢＣＭＢｏｏｓｔ＋ＬＬＣ谐振半桥的两级拓扑结

构，大大降低了前后级开关管的开关损耗，提高了整机的效率。

实验结果表明，这种结构适用于ＬＥＤ这种较为稳定的负载。

在整个功率范围具有较好的效率表现，平均效率超过９０％。

在相同功率水平

上，相比其他采用三级结构的驱动电源具有更好

的效率表现，是未来大功率ＬＥＤ照明驱动电源结构较好选择。

参考文献

［１】

ＳＴ

Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＤｅｓｉｇｎｉｎｇ

ａ

Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ

Ｍｏｄｅ

ＰＦＣ

Ｐｒｅｒｅｇｎｌａｔｏｒ

ｗｉｔｈｔｈｅ

Ｌ６５６２Ａ：

ＡＮ２７６１．【ＤＢ，

ＯＬＩ．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｓｔ．ｃｏｍ／ｉｎｔｅｍｅｔ／ｃｏｍ．［２】赵修科．实用电源技术手册磁性元器件分册［Ｍ］．沈阳：

辽宁科学技术出版社．２００２．

［３１

ＦａｉｒｃｈｉｌｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．Ｈａｌｆ＿ｂｒｉｄｇｅＬＬＣＲｅｓｏｎａｎｔＣｏｎ。

ｖｅｒｔｅｒ

ＤｅｓｉｇｎＵｓｉｎｇＦＳＦＲＳｅｒｉｅｓＦａｉｒｃｈｉｌｄＰｏｗｅｒＳｗｉｔｃｈ

（ＦＰＳ）：

ＡＮ４１５１．［ＥＢ／ＯＬ］．［２００７—１０－９］．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．

ｆａｉｒｅｈｉｌｄｓｅｍｉ．ｅｏｍ／ａｎ／ＡＮ／ＡＮ一４１５１．ｐｄｆ．

【４】ＢｏＹａｎｇ，ＦｒｅｄＣ

Ｌｅｅ．ＬＬＣＲｅｓｏｎａｎｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒＦｒｏｎｔ

Ｅｎ