基于CLL谐振的大功率多路输出LED驱动器*

杨 斌，陶雪慧，沈黎韬

(苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215000）

基于CLL谐振的大功率多路输出LED驱动器*

杨 斌，陶雪慧，沈黎韬

(苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215000）

针对大功率LED驱动电源需要实现多路均流的特点，提出了一种基于CLL谐振的多路输出LED驱动方案。驱动电路前级采用临界模式下的Boost拓扑实现功率因数校正（PFC）功能，后级采用CLL谐振拓扑实现LED负载恒流。首先对CLL谐振变换器的电路原理进行了分析，通过将副边四路输出等效为单路输出，采用基波近似法分析加平衡电容的CLL谐振变换器，求得该变换器的直流电压增益公式和恒流公式。讨论了CLL谐振变换器和 Boost型PFC电路的主要参数设计。在此基础上制作了样机，实验结果表明，采用CLL谐振的两级结构电路能高效地驱动LED电源，且各 LED串之间具有较好的均流效果。

多路均流；CLL谐振；LED驱动；PFC

0 引言

LED具有发光效能高、光学性能好、寿命长等优点，广泛应用于照明、背光源等领域[1]。实际应用中，常常需要将多个LED串并联，为了保持各并联LED串发光强度与热效应一致，必须解决各并联LED串之间的电流均衡问题。另一方面，传统大功率LED驱动器原边大多采用LLC谐振[2-4]，变换器工作在连续模式，只能实现开关管零电压（ZVS）导通，副边整流二极管无法实现零电流（ZCS）关断，造成二极管的反向恢复问题。文献[5]采用CLL谐振，能在全负载范围内实现开关管ZVS开通和ZCS关断，且电路始终工作在谐振点，但电路采用两级DC/DC结构，电路复杂。

传统大功率LED驱动器一般采用PFC+DC/DC+恒流模块的三级式结构，电路复杂，效率低。本文提出了一种新型大功率LED驱动器，电路采取Boost型PFC+CLL谐振两级式结构，效率高，电路简单。

1 电路原理

本文提出的基于CLL谐振的多路输出LED驱动器如图1所示。前级PFC主电路采用Boost拓扑，可以抑制谐波污染，提高功率因数，并且输出电压恒定，为后级DC/DC电路提供稳定的电压。CLL谐振电路能在全负载范围内实现开关管的ZVS开通和整流二极管的ZCS关断，提高了电路效率。CLL谐振电路副边仅使用电容作为均流元件，避免了磁性元件的弊端，能直接驱动多路LED负载，从而节省了传统LED驱动器的第三级恒流模块。而且，电路能方便地推广到多路输出的应用场合，易于实现模块化。

图1 基于CLL谐振的大功率LED驱动电路

前级PFC主电路采用Boost拓扑，电路工作在电流临界模式。图2为半个工频周期内电感电流波形图。其工作原理如下：每一周期开始时，开关管S3导通，电感电流iLb线性增加，电感电流变化率为。然后将电感电流的检测信号和参考信号相比，当检测电流值等于参考值时，开关管S3关断，电感电流减小，当电感电流降为零时，开关管S3再次导通，进入下一个开关周期，如此周而复始[6]。

图2 电感电流波形

由于可以近似地将一个开关周期内的电网电压认为是定值，所以电感电流在半个工频周期内达到峰值时的值为：

由式(1)可以看出，在每个开关周期中电感电流峰值iLb_pk为sinωt的函数，如果保持导通时间 Ton不变，则在半个工频周期内电感电流的峰值包络线是正弦变化的。

后级DC/DC采用CLL谐振变换器，分为连续模式和断续模式，本文中CLL谐振工作在断续模式。图3为断续模式下的波形图，各具体模态分析如下。

(1)模态 1[t0-t1]：t0时刻，S1、S2关断，由于电路工作在断续模式，Cr的电流 icr等于 L1的电流 iL1且 icr＜0，流过变压器原边电流值 iL2为 0。寄生电容 Coss1放电，同时寄生电容 Coss2充电。

(2)模态2[t1-t2]：t1时刻，|icr|开始大于|iL1|，iL2>0，此时副边二极管 D1和 D2n-1开始导通，直至 t4时刻结束。

(3)模态 3[t2-t3]：t2时刻，Coss1和 Coss2充放电结束，icr流过 S1的体二极管Do1，为 S1的零电压开通创造条件。

(4)模态 4[t3-t4]：t3时刻，S1零电压开通，直到 t4时刻，icr=iL1，模态 4结束。

(5)模态 5[t4-t5]：t4时刻，iL2=0，D1、D2n-1零电流关断，此时不再有电流流过变压器副边，电路工作在断续模式。t5时刻，S1关断，模态5结束。

图3 电流断续模式波形图

此后半个周期中电路工作状态与前半个周期类似。

根据电容的充电平衡原理，在一个开关周期内的电容的电荷总和为零，即正电荷量等于负电荷量，由此可以推出式(2)。流过Cb2的正电荷量和负电荷量为Q5和Q6，流过四路负载 LED1、LED2、LED3、LED4的平均电流分别是相应电荷量 Q1、Q2、Q3、Q4的开关周期平均值，如式(3)所示。

式中，Ts为开关周期。

由式(1)可得，Q1=Q2=Q3=Q4=Q5=Q6，联立式(2)、式(3)，可得式(4)：

即四路输出负载电流相等，而且i1=i2。由此可见，仅通过均流电容就可以实现四路LED负载的自动均流。

2 加平衡电容时CLL谐振变换器增益特性

2.1 稳态分析

Cb1、Cb2和 Cb3上的电压可以分为直流分量和交流分量两部分之和。直流分量用直流电压源 Vcb1、Vcb2和 Vcb3表示，交流分量用没有直流偏置的电容 Cb1、Cb2和 Cb3表示。四路负载等效为电压源 Vo1、Vo2、Vo3和 Vo4，变压器副边绕组电压直流分量用Vs表示，如图4所示。在模态Ⅰ和模态Ⅱ中，根据基尔霍夫电压定律，可得式(5)。

图4 负载与电容等效电路图

考虑电容Cb1、Cb2和Cb3上交流分量，列出变压器副边绕组电压表达式。Vs1是变压器副边绕组电压，是直流电压分量交流电压分量之和。由模态Ⅰ、模态Ⅱ可得式(7)、式(8)：

考虑 Cb2>>Cb1，Cb1和 Cb3的交流成分远大于 Cb2的交流成分，可将两个不同模态电路合并简化，如图5(a)所示，若 Cb1和 Cb3偏差不大，则可进一步等效为图5(b)所示。其中是模态I和模态II的Vs合并电压，

图5 简化等效电路图

2.2 增益分析

根据图5，多路输出CLL谐振变换器可以等效为单路输出CLL谐振变换器。通过基波简化，可以得到最终交流等效电路如图6所示。

图6 CLL谐振变换器交流等效电路

采用基波近似法，可以推导出加平衡电容的CLL谐振变换器直流电压增益公式为：

式中，Vin、Vo为CLL谐振输入、副边输出电压；n为变压器匝比；k为谐振电感比，k=L1/L2；fn=fs/f1，fs为开关频率，f1为谐振频率，，Leq=L1L2/(L1+L2)，Ceq= CrCb/(Cr+Cb)；B为电容比，B=Cb/Cr；[7]。

上述增益公式适用于恒压驱动器的设计，而实际LED驱动器恒流输出，需推导恒流公式。LED驱动器输出电流 Io恒定，由式(11)可知，输出电流 Io恒定，品质因数Q随输出电压Vo变换。

把式(11)带入式(10)，得式(12)：

图7为CLL谐振变换器恒流曲线，图中每一条曲线对应一个恒定输出电流时，输出电压随频率的变化。所有曲线在f1时，即谐振频率点时，输出电压相同。

图7 CLL谐振变换器恒流曲线

3 关键电路参数的设计原则

前级PFC电路工作在临界模式，电感Lb可由式(13)获得：

PFC主电路选取L6562作为控制芯片，根据电路工作条件：Uin_rms=100～242 V，Uo=400 V，Pin=180 W，fmin=35 kHz。计算得到Lb=120 μH。

后级CLL谐振电路主要参数为：输入电压为400 V的直流电压，每路输出 350 mA，输出电压为 80～120 V。本文以此为主要参数设计了CLL谐振电路的n、k、B。

CLL变换器在谐振点 f1处的电压增益为：

可见，为得到最佳设计点(谐振点)，则变压器匝比Nor=Vin(k+1)(B+1)/2Vo(kB+k+1)。

图8为输出电流为0.35 A时不同匝比n的恒流曲线，如果变压器匝比设计为 n=Nor，工作频率范围较广，不利于磁性元件的设计。为减小工作频率范围，实际变压器绕组匝比n应略大于额定变压器匝比Nor。由图7可知，n越大，工作频率范围越小，但是过大的n会导致变换器工作频率较低，增大磁性元件的体积，降低效率，所以n不宜过大。

图8 不同n时的恒流曲线

由图9可知，k越大，工作频率范围越小。但是k越大，变换器工作频率越低，导致效率降低，因此折中取k=10。

图9 不同k时的恒流曲线

由图10可知，B越大，工作频率范围越小，且工作频率越靠近谐振频率，有利于提高效率。但是B越大，Cb1、Cb2也越大，在电路启动时，各路输出电流会出现不均衡的现象，因此折中取B=5。

图10 不同电容比B时的恒流曲线

4 实验结果

根据上述分析，制作了实验样机。主要设计参数如下：PFC电感Lb=120 μH，谐振电容 Cr=22 nF，谐振电感L1=580 μH，谐振电感 L2=58 μH，CLL谐振变压器匝比n=3:1，均流电容 Cb1=Cb3=470 nF，Cb2=10 μF。

图11是四路LED输出电压和输出电流波形，图中Vo1=118 V，Vo2=99.4 V，Vo3=88.3 V，Vo4=77.8 V，实验表明各路LED负载电流几乎相等。

图12(a)为 CLL谐振电路原边开关管 S2的栅级和漏源级电压波形，图12(b)为整流二极管D1的电压和电流波形，从图12(a)、(b)可以看出电路实现了开关管ZVS开通和整流二极管 ZCS关断。图12(c)为输入电压 Uin和输入电流iin的波形图，从图中可见输入电流波形的正弦特性较好，与输入电压基本同相位，功率因数较好。图12(d)为开关管 S3的栅极电压波形和电感 Lb的电流波形。由图可知，开关管S3开通，电感电流上升至峰值时，开关管 S3关断，电感电流下降。因此，前级 Boost型PFC电路工作在临界模式。

图11 四路LED输出电压和输出电流波形

图12 实验波形图

表1列出了220 V交流输入时，不同输出电压与输出电流值，由表1可知，不同输出电压下，各路输出电流值几乎相等，与理论分析一致。

图13为220 V交流输入时，电路的功率因数PF和效率η的变换曲线。整机平均效率超过90%，最高效率达到93%，PF值高于0.96。

表1 不同输出电压及输出电流

图13 不同功率下的η、PF曲线

5 结论

本文提出了基于CLL谐振的大功率多路输出LED驱动器，该电路采用BCM Boost+CLL半桥谐振变换器的两级拓扑结构。该电路能够实现开关管的ZVS开通和整流二极管的ZCS关断，提高了整机效率。该电路易于扩展，且能在宽输出电压范围内实现各路输出均流。根据本文给出的设计方法，研制了一台驱动电源，实验表明，各LED串之间能实现精确均流，能实现较高的功率因数，验证了理论分析的正确性。

[1]俞忆洁，张方华，倪建军.对称跨接电容型 LED均流电路[J].电工技术学报，2014，29(8)：196-203.

[2]胡晨，吴新科，彭方正，等.基于多电容充放电平衡的多路输出 LED驱动器[J].浙江大学学报：工学版，2014(12)：2202-2209.

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[6]王志鹏，陶生桂，汤春华.基于 L6561的电流准连续模式APFC电源设计[J].通信电源技术，2004，21(4)：9-12.

[7]吴建雪，许建平，陈章勇.CLL谐振变换器谐振电路参数优化设计[J].电力自动化设备，2015，35(1)：79-84.

High power multi-channel LED driver with CLL resonant

Yang Bin，Tao Xuehui，Shen Litao
(School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215000，China)

Because of the high power LED driver required for current balancing,a multi-output LED driver with CLL resonant utilizing the charge balance of the block capacitors is proposed.The first stage circuit using BCM boost topology achieves PFC function,while the second stage using CLL resonant converter realizes the current balancing between LED strings.The principle of the CLL resonant converter is analyzed.This paper merges four outputs into one and adopts the fundamental harmonic approximation analysis method to obtain the voltage and current characteristic of the converter.The key parameters of the CLL resonant converter and Boost-type PFC is also presented.On the basis of above analysis,a prototype was built up.The experiment results prove that the circuit adopting the CLL resonant converter can efficiently drive the LED strings.Meanwhile,each LED has the good performance of current balancing.

current sharing；CLL resonant；LED driver；PFC

TN86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.035

杨斌，陶雪慧，沈黎韬.基于 CLL谐振的大功率多路输出 LED驱动器[J].电子技术应用，2016，42 (12)：134-138.

英文引用格式：Yang Bin，Tao Xuehui，Shen Litao.High power multi-channel LED driver with CLL resonant[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：134-138.

2016-04-18）

杨斌（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向：LED驱动、高效率DC-DC变换器。

陶雪慧（1980-），通信作者，女，博士研究生，讲师，主要研究方向：开关电源、电力电子器件及应用，E-mail：xhtao@suda.edu.cn。

沈黎韬（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向：锂电池充电。

国家自然科学基金(51307113)；江苏省自然科学基金(BK20130307)