基于LLC谐振的LED驱动电源设计

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。