基于LLC谐振的LED驱动电源设计图文精.docx
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基于LLC谐振的LED驱动电源设计图文精
第46卷第3期2012年3月
电力电子技术
PowerElectronics
V01.46,No.3March2012
基于LLC谐振的LED驱动电源设计
张久庆,高
田,景占荣
(西北工业大学,陕西西安710129)
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
中图分类号:
TN86
文献标识码:
A
文章编号:
1000—100X(2012)03—0009—03
LLCResonant-basedLEDDriverPowerSupplyDesign
ZHANGJiu—qing,GAOTian,JINGZhan-tong
(Northwestern
Polytechnical
Univers渺,Xi’佩710129,China)
Abstract:
Forhigh-powerLEDstreetlightingapplications,resonanttopologyisusedtosolvetheproblemofpoweref-ficiency.The
pre-driver
circuit
using
BCMBoosttopology
achieves
AC/DCconversion
and
PFCfunction,whilethe
post—stageLLChalf-bridgetopologybuildsconstantcurrentsource
byDC/DC
conversion.The
two—stage
convertercom—bines
Boost
andLLCconverter,gettinghigherperformance
bymakingfull
use
oftheirintrinsic
properties.The
basicstructureandtheprincipleofthecircuit
are
detailed,especiallythedesignmethodofthemain
components.On
the
basisofthe
above
analysis,a
prototype
is
produced,and
experimentalresults
showthat
resonant
topologyreduces
switchinglosses,thecicuitcan
efficientlydrivethe
LEDlights.
Keywords:
driverpowersupply;lightemittingdiode;highefficiencyFoundation
Project:
Supported
byBasicResearchFundof
NWPU(No.CJ201040)
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
基金项目:
西北工业大学基础研究基金(CJ201040)
定稿日期:
2011—09—29
作者简介:
张久庆(1988一),男,安徽六安人,硕士研究生,研究方向为电力电子。
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。
一鍪盆鋈鋈陋
输入
图1
I三I莶拘D;!
C;/D冀C鎏差竺卜.[母
变换I’l竺竺:
竺竖l
’
———广—一
I恒流
L压丽副籼PFC预调节器以Boost拓扑实现,在BCM模式
下,以L6562作为控制器。
BCMBoost的一大优势是,能够在下一个开关周期开始之前感测Boost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。
q
万方数据
第46卷第3期2012年3月
电力电子技术
PowerElectronics
V01.46,No.3March2012
◆耋蒸差一篓
波发生
:
谐振网络篱输出整流
流二极管压降u,f=0.7V,输出电流L=6A。
谐振频
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。
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£与开关
频率关系为[1J:
L:
堡啦(坠笪兰‰)
f】、
‘
麓。
.豳釉PjH
、1j
式中:
£‘。
一为输入电压有效值;以为PFC输出电压;厶抽
为最低开关频率;Po为输出功率;叼为效率。
考虑EMI和控制芯片L6562要求,选取厶面=
35
kHz,根据电路工作条件:
%,=176~265
V,uo=
390V,P0=180W,叼=95%。
计算得到L=230斗H。
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=NA。
曲
(2)
式中:
L为电感的峰值电流;AB为磁感应强调工作范围;
A。
为磁芯等效截面积;Ⅳ为电感线圈匝数。
根据A。
法【2】选择PC40E130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A。
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
减小衄,以降低铁损。
3.2半桥变压器设计
按照基波分析法[3】,可以得到等效的网络增益
表达式以及简化式:
肘=等=lj瓦而j(aj∞'(crL.)-+jLr∞)(I
L[n托2R,,。
瓶l(3)
肘:
墨f型竺Z
x/[(k+1)(O)/(,Or)2-1]2+k2Q2(o)loo,)2[((/,)/(.Or)2-1]2
(4)
式中:
巩’,以’表示输入、输出等效的基波分量;L,为变压器
漏感;L。
为变压器初级电感量;cr为谐振电容;rt为等效的
理想变压器匝比;R。
为等效阻抗,R。
=8Vd(喊);k=(Lp—
L,)/L,;∞I=1,~7厶G;Q=1/(n2R她)。
】0
佩≥1.‰=1.5诤咏_2
(5)
式中:
‰为电路所需最大增益;晦为谐振点增益;酞,,
‰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。
篡强
文i
l.6
:
:
!
王o
Q
图3峰值增益与k。
Q取值关系曲线
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【引。
此处
k=4,Q=O.3。
k确定后,变压器实际匝比为:
舻n、/竽=^y/-G后1
M止器=8.8(6)
由以上结果,谐振网络参数cr,厶,L。
计算式为:
G=(2"rrQfn2R。
)。
1=17
nF
厶L爿@篙2时1。
篙岬
,
(7)p=(k+lL,=743
)¨H
、7
以蛳=(Ud2)/(甜猡。
)
式中:
%袖为变压器初级最少匝数;B。
为磁芯最大不饱和
磁感应强度。
根据A。
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Ⅳp血=(巩/2)/(现邺iⅡc4猡。
)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PC40E130磁芯.
75匝电感量为280斗H;PC40EER3540磁芯用于半桥变压器,初级45匝,次级5匝;£。
=645¨H;
L。
=145¨H;谐振电容C,=15nF。
图4示出实验波
形和效率曲线。
万方数据
基于LLC谐振的LED驱动电源设计
缸dsli
.≯
-一
憾僻书静
tff2ps/格)
(a)PFC开关管波形
.Hln
—氏
。
名每忒
飞=形飞兰岁
t/(4ms/格)
(c)交流输入电流波形
U如h
!
_||o.r
甜
ip
图4实验波形
图4a为满载输出时PFC部分主功率管漏源
极电压U也。
和采样电阻上电流iR波形。
在MOS管从关断到开通时,i。
已经降为零,u趣。
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
电压配蛐波形和初级电流i。
波形。
下边开关管在导通之前,i,流过下管的体二极管,M“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u扒电流i抽波形,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的效率叼曲线,整机的平均效率超过
90%,最高效率可达94%。
5
结论
采用BCMBoost+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。
参考文献
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ST
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【4】BoYang,FredC
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En
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