基于LLC谐振的LED驱动电源设计
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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
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。
PFC预调节器以Boost拓扑实现,在BCM模式下,以L6562作为控制器。BCM Boost的一大优势是,能够在下一个开关周期开始之前感测Boo st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。
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。
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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L与开关频率关系为:
式中:Uin_ms为输入电压有效值;Uo为PFC输出电压;fsw_min为最低开关频率;Po为输出功率;η为效率。
考虑EMI和控制芯片L6562要求,选取fsw_min=35 kHz,根据电路工作条件:Uin_ms=176~265 V,Uo=390 V,Po=180 W,η=95%。计算得到L=230μH。
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=NAe△B (2)
式中:Ip为电感的峰值电流;△B为磁感应强调工作范围;Ae为磁芯等效截面积;N为电感线圈匝数。
根据Ap法选择PC40EI30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Ae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△B,以降低铁损。
3.2 半桥变压器设计
按照基波分析法,可以得到等效的网络增益表达式以及简化式:
式中:Uin’,Uo’表示输入、输出等效的基波分量;Lr为变压器漏感;Lp为变压器初级电感量;Cr为谐振电容;n为等效的理想变压器匝比;Rac为等效阻抗,Rac=8Uo/(π2Io);k=(Lp-Lr)/Lr;。
由式(4)可知,峰值增益是k,Q的函数,它们关系可由图3描述。选取k,Q时,应保证峰值增益满足电路最大的增益范围。LLC半桥的工作条件:输入电压Uin=390V,输出电压Uo=24~32V,整流二极管压降uf=0.7V,输出电流Io=6A,谐振频率fr=100kHz。峰值增益计算式为:
式中:Mmax为电路所需最大增益;Mfr为谐振点增益;Uo_max,Uo_fr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。
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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。此处k=4,Q=0.3。k确定后,变压器实际匝比为:
式中:Np_min为变压器初级最少匝数;Bm为磁芯最大不饱和磁感应强度。
根据Ap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Np_min=(Uin/2)/(2fsw_minAeBm)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PC40 EI30磁芯,75匝电感量为280μH;PC40EER3540磁芯用于半桥变压器,初级45匝,次级5匝;Lp=645 μH;Lr=145μH;谐振电容Cr=15 nF。图4示出实验波形和效率曲线。
图4a为满载输出时PFC部分主功率管漏源极电压uds_m和采样电阻上电流iR波形。在MOS管从关断到开通时,iR已经降为零,uds_m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uds_h波形和初级电流ip波形。下边开关管在导通之前,ip流过下管的体二极管,uds_h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uin、电流iin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η曲线,整机的平均效率超过90%,最高效率可达94%。
5 结论
采用BCM Boost+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。