基于LLC谐振变换器和准谐振PWM恒流控制的LED驱动电源设计

鲍 晟，陈明鹏，潘海燕

（台州职业技术学院 电子电气工程系，浙江 台州318000）

基于LLC谐振变换器和准谐振PWM恒流控制的LED驱动电源设计

鲍 晟，陈明鹏，潘海燕

（台州职业技术学院 电子电气工程系，浙江 台州318000）

使用谐振/准谐振拓扑结构设计LED驱动电源，前级DC/DC变换电路采用磁集成的半桥LLC谐振变换器，后级恒流采用准谐振PWM控制的BOOST电路。充分利用谐振BOOST拓扑和LLC谐振变换器的高效率特性，提高电源效率和功率密度。介绍了电路基本结构和工作原理，讨论了两级电路的设计方法。在此基础上制作了样机，实验结果表明所给出的设计方案可行并且合理。

LLC谐振变换器；准谐振；PWM；恒流；LED驱动

与传统照明相比，LED具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快等优点，正成为一种新型光源在照明领域扮演着越来越重要的角色[1-2]。为了提高LED的工作稳定性，驱动电源的要求也在不断提高。LED驱动电源一般由功率因数校正、前级 DC/DC变换、恒定电流调节三级组成，常规的控制电路采用硬开关反激式拓扑或双开关正激拓扑。固定开关频率的硬开关控制可以实现宽输入电压和输出功率调节，控制性能良好，目前的技术也比较成熟，但是电路结构复杂，器件及控制器数量较多，电路体积大，总体成本高，在效率和功率密度方面会受到限制，因此在中小功率应用场合并不具有优势，可靠性方面受到影响[3]。

为了提高LED驱动电源效率和功率密度，本文提出了谐振和准谐振拓扑取代传统的硬开关方案。前级DC/DC变换采用电感、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（ZVS）、次级整流二极管零电流开关（ZCS），极大地降低电路开关损耗，提高功率密度、可靠性和降低开关噪声[4]；末级恒定电流调节采用准谐振脉宽调制（PWM）控制方式，通过调节开关工作频率使MOSFET始终保持在电压谷值点时导通，导通损耗更低，提高了恒流驱动效率[5-6]。

1 方案介绍

LED驱动电源包括：干扰抑制电路(EMI)、功率因数校正电路(PFC)、DC/DC转换电路和恒流驱动电路，如图1所示。输入端EMI抑制电路既阻止开关电源产生的电磁干扰进入电源线影响其他设备，也阻止电源线的高频电压进入开关电源的输入端；功率因数校正电路用以提高功率因数，并将220 V工频交流整流得到400 V左右的直流电压；DC/DC转换电路实现降压变换得到稳定低压直流电压，由LLC谐振变换器实现；恒流驱动电路用以实现 LED的恒流驱动，采用准谐振PWM控制的BOOST电路。

2 主要电路设计

2.1 PFC电路

图1 方案电路图Fig.1 The circuit structure of LED driving power

交流电经过EMI电路、整流桥、滤波电容后，进线电流会产生畸变，与电压之间存在相位差，因此需要加入功率因数环节来提高电网利用率，功率因数校正的实质就是使用电设备从输入端看等效负载呈纯阻性。功率因数校正电路按拓扑结构不同可一般分为 BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路以及SEPIC电路。考虑到后级LLC谐振变换器较高母线电压有利于提高DC/DC转换效率，PFC电路采用升压BOOST电路。采用BOOST升压拓扑，按电感电流导通方式，可分不连续导通模式（DCM）、连续导通模式（CCM）和临界导通模式（CRM）三类。CRM模式工作在临界导电模式，没有DCM那么大的器件应力，也不存在CCM所具有的二极管反向恢复问题，且输入平均电流与输入电压成线性关系，既具有断续模式下主开关零电流导通的和二极管零电流关断的优点，又没有断流期间的振荡问题，适用于本方案。

2.2 半桥驱动LLC谐振变换器DC/DC电路

DC/DC电压调整电路实现带电气隔离的降压变换，常规隔离式DC/DC变换器有单端反激式、半桥或全桥式。半桥DC/DC变换器相比于单端FLYBACK来说，磁芯利用率高，开关管电压应力较小，相比于全桥DC/DC变换器控制和驱动电路简单，对称驱动不易出现偏磁及上、下桥臂开关管直通问题，因此采用半桥驱动LLC谐振变换器方案。

半桥LLC谐振变换器电路如图2所示。变换器包括：驱动Q1、Q2的方波产生器，由串联谐振电容Cr、串联谐振电感Lr和并联励磁电感Lm组成的谐振网络，变比为n:1:1的理想变压器T，VD1、VD2组成的整流电路，滤波电容CO以及负载电阻RO。其中Lr可以是一个独立元件，或者与变压器磁集成。

图2 半桥LLC谐振变换器Fig.2 Half bridge LLC resonant converter

目前国内外对LLC的分析主要有基波分析（FHA）、时域分析、傅里叶分析和仿真分析等方法。为便于工程设计，常用基波近似法对电路进行分析，可以得到谐振网络的直流电压增益为：

图3 LLC谐振变换器归一化增益特性曲线Fig.3 Gain characteristic of a LLC resonant converter

由增益方程式(1)可以得到不同K、Q值的归一化增益特性曲线，如图3所示。当f=fr时，谐振电路的特性与负载电阻Ro无关，Gdc=1；当输入电压较低时，为使电路获得较大的增益，谐振电路工作于低频 f＜fr模式，Gdc＞1；当输入电压较高或负载较轻时，谐振电路工作于高频f＞fr模式，Gdc＜1。当负载较重或低输入时，谐振频率 fr2＜f≤fr，实现开关管 Q1、Q2的 ZVS和副边整流二极管 VD1、VD2的 ZCS ，f越低于 fr，Gdc越大，效率会有提升，但开关管的开关振铃耦合到输出级会产生更大的开关纹波，谐振电容Cr的电压应力会越高；当负载较轻即Ro增大时，谐振频率 f升高工作于 f＞fr模式，此时 Gdc＜1，只有开关管Q1、Q2实现ZVS软开关，整流二极管ZCS条件丧失，随之带来需要考虑减少开关损耗等问题；另一方面，随着Ro的增大，电路品质因数Q值变低，电路效率会明显下降。因此，在额定输入电压输出负载下，应该设计变换器工作在f=fr附近，达到性能和效率的最优，同时会减少负载变化引起开关频率的变化，并降低开关器件的损耗。

LLC谐振变换器采用FM控制模式，即占空比为1/2的PWM信号对称驱动上下臂开关管，用调节开关频率的方法控制功率流到输出侧。其直流电压增益公式由式(1)决定，控制信号和谐振槽、整流二极管的关键电流波形如图4所示。

2.3 准谐振PWM控制恒流驱动电路

图4 谐振槽关键电流波形Fig.4 Key waveforms of LLC resonant tank

常规硬开关变换器的工作频率固定，MOSFET开通/关断时间固定，在磁复位的过程中，由于变压器电感和功率管上寄生电容存在，开关管上的电压降会存在振荡。在电压振荡曲线中的谷值点，也就是MOSFET漏源电压的第一个最小值处，如果在这个时候让MOSFET管开通，那么导通的电流尖峰将会最小，在某些条件下，甚至可以获得ZVS。采用这种跟踪电压谷值点的变开关控制频率方法，即为准谐振技术，准谐振使开关损耗、待机功率等方面都可以实现高效、低功耗、低成本等要求。

恒流驱动电路采用基于准谐振PWM控制的BOOST电路，如图5所示。实际应用中的控制芯片采用安森美公司的NCPl337。NCPl337是一款增强型的准谐振脉冲宽度调制电流模式控制器，它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器，确保电源在任何负载条件下均能工作在不连续的导电模式。在NCPl337中有两个重要特征，其一、用软跳周期技术来控制峰值电流并去除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，进而实现空载、轻载状态下的高效性能，并能在变压器进入跳周期工作时有效去除噪声。其二、为了保证任何时候都能在谷值点开通，实现准谐振工作方式，使用了无线圈去磁检测技术。电路采用自由运行的边界/临界模式、准谐振控制，可以调节不同的输入电压和负载的变化。

图5 准谐振PWM控制恒流驱动BOOST电路Fig.5 BOOST circuit of quasi-resonant PWM constant current control strategy

传统的电源设计都工作在固定频率模式下，从而使得功率管在高压接通，关断过程中功率管上消耗的瞬时功率较大，同时还会引起一定的电磁干扰。NCPl337控制器用准谐振技术和软跳周期技术能解决这个问题。同时还可以通过调节电感电流峰值从而改变LED的驱动电流，达到调光的目的。

3 实验结果

为了验证本文提出的LED驱动电源电路，制作设计了一台输出为32 V/2 A的实验样机，LLC谐振变换器母线电压为400 V，经DC/DC变换电路后电压为24 V。LLC谐振变换器控制部分使用L6599芯片，LLC谐振变换器部分的主要参数如表1所示。

表1 LLC谐振变换器设计参数Tab.1 Parameters of LLC Resonant Converter

图6 额定负载时的波形Fig.6 Experimental waveforms at rated load

图7 较低母线电压时LLC谐振槽波形Fig.7 Experimental waveforms of LLC resonant tank at low input voltage

图6为额定负载下，正常输入电压时LLC谐振槽关键电流波形，开关频率工作于谐振点fr=100 kHz附近，实现了开关管ZVS和整流二极管ZCS，谐振电流iCr忽略死区的影响，接近一个完整的谐振波。LLC谐振变换器输出电压稳定在24 V，经过末级BOOST电路后，输出电压稳定在32 V恒流驱动负载LED灯。

图7为LLC谐振变换器母线电压较低时谐振槽电流波形。此时开关频率要远低于100 kHz，通过降低开关频率，提高LLC谐振变换器的电压增益，维持DC/DC转换电路输出电压，为末级恒流驱动电路提供稳定的24 V电压。

4 结论

谐振变换器是一种可以实现软开关的电路拓扑，它能利用谐振时电压或电流周期性的过零点，使开关管在零电压或零电流条件下关断或开通。本文针对LED驱动电源提出了采用谐振/准谐振控制策略的电源方案，DC/DC级采用LLC谐振变换器，隔离变压器进行磁集成提高了功率密度，减小了元器件数量；恒流级采用准谐振PWM控制电路，降低了开关损耗。实验证明，本方案可以实现变换器更高性能效率和更高功率密度，是减小变换器体积和重量，增加功率密度，解决效率问题极具潜力的一种新型高功率密高效率的LED电源方案。

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Design of LED driver with LLC resonant converter and quasi-resonant PWM constant current control strategy

BAO Cheng,CHEN Ming-peng,PAN Hai-yan
（Department of Electronic and Electrical Engineering,Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,China）

Resonant and quasi-resonant topologies are used to design LED drive power.LLC half-bridge resonant converter with magnetic integrated achieves DC/DC conversion,and the post-stage using quasi-resonant PWM control BOOST topology builds constant current circuit.The converter combines resonant BOOST and LLC converter，getting higher performance by making full use of their intrinsic properties,and improving the supply of power density.The basic structure and the principle of the circuit are detailed.On the basis of the above analysis，a prototype is produced，and experimental results show that the given design is feasible and reasonable.

LLC resonant converter;quasi-resonant;PWM;constant current;LED driver

TN86

A

1674-6236（2014）17-070-03

2014-03-17 稿件编号：201403168

大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目（2013DKC10）

鲍 晟(1995—)，男，浙江天台人。研究方向：电子技术应用。