一种改进的基于PWM调光的直流LLC半桥谐振LED驱动器

王磊

（韩山师范学院物理与电子工程学院，广东潮州 521041）

一种改进的基于PWM调光的直流LLC半桥谐振LED驱动器

王磊

（韩山师范学院物理与电子工程学院，广东潮州 521041）

以直流LLC半桥谐振LED驱动器为研究对象，提出了一种基于PWM调光的改进控制方案，此LLC变换器的主电路参数设计比传统频率调制控制更容易在一个较窄的理想频段实现，变换器的特性在较宽的负载范围都能够达成较好的软开关特性.通过改进控制方案的电路实施，然后用仿真较好地验证了基于新的控制策略的LED驱动器的设计方案.

LLC半桥；谐振变换器；LED驱动；PWM调光

随着对产品小型化的要求，开关电源的工作频率必须进行提升，因此带来的开关损耗问题唯有采用软开关技术来解决.在开关频率达到1 MHz左右时，曾经被遗忘的谐振电路表现出了很好的性能.其中LLC半桥谐振开关变换器以其主电路结构简单，设计相对方便，能实现主开关的零电压（ZVS）开通，副边整流管的零电流（ZCS）关断的软开关技术，具有电磁干扰小、效率较高等诸多优点，近年来成为研究和应用的热点[1-4].

LLC谐振变换器属于串并联谐振变换器中的一种，其原型是半桥变换器，由于谐振发生在两个电感一个电容之间而得名，采用副边及双二极管同时续流.为了达成副边整流管的ZCS，LLC变换器输出不能接有储能滤波电感[5-6].常规LLC变换器采用脉冲频率调制（PFM）控制，在重载时开关频率相对较低，轻载时开关频率调节到重载的4～5倍，令滤除电磁干扰的滤波器难以设计.而且由于驱动信号是固定占空比0.5的互补信号，为避免出现直通故障，通常会设定固定时间的死区，这个死区在轻载时造成真实占空比的减小，令软开关难以实现.

本文首先对LLC谐振半桥变换器的运行原理进行了分析，基于LED驱动的特点，提出了一种基于PWM调光的改进控制方案，此LLC变换器的主电路参数设计比传统频率调制控制更容易在一个较窄的理想频段实现，变换器的特性在较宽的负载范围都能够达成较好的软开关特性.文中提出了改进控制方案的电路实施，然后用仿真较好地验证了基于新的控制策略的LED驱动器的设计方案.

1 LLC谐振半桥的工作原理

LLC谐振半桥的拓扑结构见图1（a），其中开关管Q1和Q2互补导通，且它们的占空比在除去死区后都很接近0.5，电路采用PFM控制，能实现Q1和Q2的零电压ZVS（Zero Voltage Switching）开通，以及副边整流管的零电流ZCS（Zero Current Switching）关断.变换器软开关的实现，有效地降低了开关损耗和电磁干扰.而且不同于一般软开关电路，它具有结构简单、元器件少、设计方便的优点，特别适合中小功率的应用.

图1 LLC谐振半桥的电路图及谐振波形图

LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，分别为谐振电感Lr和电容Cr的串联谐振频率fr，及Lr与变压器原边磁化电感Lm和Cr的串并联谐振频率fp.

图1（b）给出了LLC谐振变换器的关键波形.LLC变换器稳态的工作原理为：

1）〔t0，t1〕当t=t0时，Q2关断，进入第一段死区时间，原边谐振电流为负，因此它开始给Q1的寄生电容放电，一直到Q1两端电压为零.然后Q1的体二极管导通，谐振电流开始对输入充电，负向减小；同时变压器原边承受正压，副边的整流管D1导通，Lm上的电压被输出电压Vo钳位于nVo，因此，只有Lr和Cr参与谐振.

2）〔t1,t2〕当t=t1时，Q1在零电压的条件下导通，变压器原边仍被钳位于nVo，Lm在此电压下线性充电；D1继续导通，Q2及D2截止.此时Cr和Lr参与谐振，而Lm不参与谐振.当谐振电流与Lm电流相等时，此阶段结束.

3）〔t2,t3〕当t=t2时，Q1仍然导通，而D1与D2处于关断状态，T1副边与电路脱离，此时Lm、Lr和Cr一起参与谐振.因为实际Lm＞＞Lr，这个阶段可以近似认为激磁电流和谐振电流都保持不变.

4）〔t3,t4〕当t=t3时，Q1关断，进入第二段死区时间，谐振电流给Q2的寄生电容放电，一直到Q2上的电压为零，然后Q2的体二极管导通；此时副边D2导通，Lm上的电压被输出电压钳位于-nVo，因此，只有Lr和Cr参与谐振.

5）〔t4,t5〕当t=t4时，Q2在零电压的条件下导通，T1原边承受反向电压-nVo；D2继续导通，而Q1和D1截止.此时仅Cr和Lr参与谐振，Lm上的电压被输出电压箝位，而不参与谐振.

6）〔t5,t6〕当t=t5时，Q2仍然导通，而D1和D2处于关断状态，T1副边与电路脱开，此时Lm、Lr和Cr一起参与谐振.实际电路中Lm＞＞Lr，因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变.

2 LLC谐振半桥的分析

对LLC谐振半桥的分析通常采用“基波分析”[3-4]方法，这种分析法主要基于变换器电压电流傅里叶级数的基波分量，忽略谐波分量来分析输入输出的关系，这样可以将谐振电路模型极大简化，转化成交流电路来分析.图2所示的是降压型LLC谐振开关变换器的交流等效电路.

图2 LLC变换器交流等效电路

其中Rac是图1所示的降压型LLC谐振开关变换器中LED负载等效电阻RLd折算到变压器原边侧的交流等效阻抗，可表示为

变换器的串联谐振品质因数Q为

网络的输入/输出传递函数为

从（4）式可以看出，所要设计的谐振元件Lr、Cr和Lm三元件参数就包含在LLC谐振变换器的直流增益中，可以依据它进行变换器的设计.

3 LLC谐振半桥的设计

LLC谐振开关变换器谐振参数的设计流程可分为5步：

3.1 最大开关频率的确定

根据LLC谐振变换器的工作原理及所设置开关频率范围可知，最大的开关频率应对应于谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振时，所以有

3.2 变压器原副边匝比n的确定

当开关频率fs工作在fp和fr之间时，最高输入电压Vmax对应最大频率点，且直流增益最小点为谐振频率点fr处，即x=1处，此时直流增益为1/(2n)，所以有

3.3 激磁电感与谐振电感比值k的确定

随着k值的增大，变换器的直流增益曲线的幅值变小，并且直流增益曲线向左侧移动，变换器的工作频率变化范围变大[1].在工程上，一般k值取在2～8之间，本文由于不采用磁集成，并且由于环路控制不担心高频端的问题，k值可以偏大些，取为4.

3.4 串联品质因数值的确定

Q值的选取原则为在满足最低输入电压且满载的直流增益时，选取尽可能大的Q值.Q值取为0.5.

3.5 最终确定谐振元件的参数.

通过以上的分析，对fmax、k、Q的选取后，联立式（3）、（5），可以得到关于LLC变换器谐振元件Lr、Lm和Cr的三个参数方程，可求解出三个参数值.LLC变换器的电路参数见表1.

表1 LLC变换器的电路参数

设计中没有采用磁集成的思路，因为这样变压器的漏感较大，造成变压器实际变比和理想变比的偏差，以及引起副边漏感的问题.本文用一个独立的小电感实现Lr.

4 改进控制器的设计实现

LLC变换器的改进控制线路见图3.由于LED的特性，需要对LED进行电流的采样和控制.LED负载的调节，通过改变其电流基准来实现.按照LLC变换器的增益特性，在频率越高的时候增益变小，因此通常设定轻载的开关频率较高.为此电流基准接入运放负端，电流采样接入正端，当基准被调小，导致差值升高，这个差值会被按比例转换为高频率.

图3 LLC变换器改进控制电路

当负载达到额定负载的1/4时，此时检测到电流基准足够小，由比较器将系统的控制转入双频工作模式.当负载继续降低，开关频率改为由Iref决定，不再改变，而是通过改变在低频工作的占空时间比例达到平均输出降低的效果，这时LED负载其实是由低频脉冲电流驱动的.

为了防止负载特殊情况下在两种控制临界区域的跳变造成环路振荡，必须在比较器设定一个滞回区域，滞回区域的宽度应与输出电流的纹波可比.需要说明的是，由于LED特性，当低频工作频率不小于200 Hz时，LED灯的发光不会引起频闪，和恒定平均电流驱动下的LED达成同样的照明效果.

5 LLC谐振半桥的仿真验证

输入电压为230V～300 VDC，输出为30 V/1A.用表1同样的参数，采用PSIM软件对LLC谐振半桥变换器进行了仿真，得到图4的波形.其中图4（a）是LLC谐振半桥的ZVS波形，可以看到在Q1的驱动信号Vgq1变高之前，由于Q1体二极管的导通（此时Iq1为负），Vq1已变为零，因此Q1实现了零电压开通.图4（b）是轻载时LLC变换器切换到高频脉冲电流输出的波形，可见输出端二极管电流变为间断的高频脉冲电流，经过输出电容的滤波，最终驱动LED的电流脉动相对比较小.

图4 LLC谐振半桥的ZVS及高频脉冲输出的波形

6 结论

本文提出了一种基于PWM调光的改进控制方案，LLC变换器的主电路参数设计比传统频率调制控制更容易在一个较窄的理想频段实现，变换器的特性在较宽的负载范围都能够达成较好的软开关特性.本文的结果对LLC半桥LED驱动器的设计有一定的实用价值.

[1]李大伟.LLC谐振开关变换器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[2]陈威，吕征宇.第四类LLC谐振变流器模块功能准同构拓扑探求及变形研究[J].中国电机工程学报，2009（9）：35-42.

[3]余昌斌.LLC谐振半桥dc-Dc变换器的研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[4]朱立泓.LLC谐振变换器的设计[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]XINKE W,CHEN H,JUNMING Z,et al.Analysis and Design Considerations of LLCC Resonant Multi-output DC/DC LED Driver With Charge Balancing and Exchanging of Secondary Series Resonant Capacitors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(2):780-789.

[6]HAORAN W,SHU J,FRED C L,et al.Multi-channel constant current(MC3)LLC resonant LED driver[C].Phoenix IEEE ECCE,2011:2568-2575.

A Novel DC LLC Resonant Half-Bridge LED Driver Based on PWM Dimming

WANG Lei
（College of Physics and Electronic Engineering,Hanshan Normal University,Chaozhou,Guangdong,521041）

This paper presents an improved control scheme based on PWM dimming for DC LLC resonant half-bridge LED driver.As a result,the main circuit parameter design of the LLC converter becomes easier than the traditional in a narrow ideal frequency band.The soft switching characteristics can be achieved in a wide range of load.A circuit implementation of the improved control scheme is provided,and the overall design of the LED driver is verified by the simulation result.

LLC half-bridge;resonant converter;LED driver;PWM dimming

TM 463

：A

：1007-6883（2016）06-0024-05

责任编辑 朱本华

2016-10-09

王磊（1978-），男，湖南娄底人，韩山师范学院物理与电子工程学院讲师，华南理工大学在读博士生.