半橋LLC諧振LED路燈恒流驅(qū)動電源設計?

周 明

（桂林海威科技股份有限公司 桂林 541004）

1 引言

隨著不可再生能源的不斷消耗以及環(huán)境的不斷惡化，節(jié)能環(huán)保已成當今的熱點話題。LED相比其它電氣照明，具有光效高、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此得到廣泛的使用。

驅(qū)動電源是LED照明發(fā)展的重要保障，它的功率因素，效率，控制方式等直接決定LED的工作性能。文獻［1］基于反激變換器采用雙反饋控制回路實現(xiàn)了恒流穩(wěn)壓控制，提高整機的功率密度；文獻［2～3］討論了LLC級和PFC級各主要電路參數(shù)的設計，制作了一臺高效率、高性能的LED驅(qū)動電源；文獻［4］提出一種LLC參數(shù)優(yōu)化方案，提高了LED驅(qū)動電源的性能和效率；文獻［5］基于Flyback拓撲的單級功率因數(shù)校正的恒流LED驅(qū)動電源，提高驅(qū)動器的效率和功率因數(shù)；文獻［6～7］將LLC諧振電路作為DC/DC變換，結合前級的Boost模式AC/DC電路，開發(fā)了一種大功率、高效率的LED驅(qū)動電源。

LED的伏安特性要求其配套驅(qū)動電源具備恒流、恒壓輸出性能，即當LED電源帶載時其輸出為恒流特性［8］，當LED電源空載時，其輸出為恒壓特性。為完成恒流、恒壓輸出特性，LED電源需要具備電壓環(huán)、電流環(huán)控制［9］，因此，本文將半橋LLC諧振變換器拓撲作為DC/DC變換，軟開關的實現(xiàn)減小了功率器件的開關損耗，采用芯片TSM103W實現(xiàn)恒壓、恒流輸出，減小LED的光衰，提高LED的工作性能。

2 電路拓撲

圖1是半橋LLC諧振變換器主電路拓撲，其中S1和S2為一次側(cè)開關管，VD1和VD2分別為開關管S1、S2的寄生體二極管，C1和 C2分別為開關管 S1、S2的寄生結電容，S1和 S2為 180°互補導通，Cr為諧振電容，Lr為諧振電感，Lm為一次側(cè)勵磁電感，D1、D2是二次側(cè)整流二極管，Co是輸出濾波電容，Ro是負載，n為變壓器原副邊匝比。LLC諧振變換器采用變頻調(diào)控方式，固定占空比為0.5，通過改變開關工作頻率來調(diào)整輸入輸出的電壓增益，從而穩(wěn)定輸出電壓。LLC諧振電路接在PFC電路后一級，前級PFC的輸出電壓經(jīng)過半橋得到高頻方波電壓，電容和諧振電感構成的諧振網(wǎng)絡對其進行選頻，從而使變換器更加高效地工作。

圖1 半橋LLC諧振變換器的電路拓撲

相較于傳統(tǒng)的諧振變換器，LLC諧振變換器具備以下優(yōu)點［10～11］：

1）開關頻率變化范圍寬，能實現(xiàn)整個運行范圍內(nèi)的一次側(cè)開關管零電壓開通（ZVS）和二次側(cè)整流二極管零電流關斷（ZCS）。

2）變壓器二次側(cè)級無需濾波電感。

3）可通過把變壓器的兩諧振電感集成到磁芯上來減小變壓器的體積。

4）電容濾波，整流器上有較小的電壓應力。

5）能夠?qū)崿F(xiàn)寬電壓范圍輸入和負載大范圍變化下調(diào)節(jié)輸出。

設定由諧振電感Lr和諧振電容Cr參與諧振的頻率為fr，由勵磁電感Lm、諧振電感Lr和諧振電容Cr參與諧振的頻率為fm。這兩個諧振頻率的表達式分別為

1）當 fm＜fs＜fr時，設 iLr為諧振電流，iLm為變壓器一次側(cè)勵磁電流。此時電路分為能量傳輸階段和續(xù)流階段。若設計合理，變壓器一次側(cè)開關管S1、S2可實現(xiàn)ZVS，二次側(cè)整流二極管在iLr=iLm時電流減小為零，實現(xiàn)ZCS。

2）當fs=fr時，勵磁電感Lm始終受輸出電壓Uo的箝位，將不參與諧振，此時的諧振電流iLr按正弦變化，勵磁電流iLm受Uo影響而呈線性變化，變壓器工作在最佳狀態(tài)—完全諧振狀態(tài)［12］，此時的效率最高，開關管S1、S2實現(xiàn)ZVS，二次側(cè)整流二極管實現(xiàn)ZCS。

3）當fs>fr時，勵磁電感Lm并不參加諧振，只產(chǎn)生一個諧振頻率。盡管一次側(cè)開關管能在任意負載情況下完成ZVS，但是二次側(cè)整流二極管不能完成ZCS，因而在換流時會引起電流反向恢復，而產(chǎn)生損耗［13～14］。

綜上所述，變換器在三種情況下，都可以實現(xiàn)開關管ZVS，而且在fm＜fs＜fr時可以實現(xiàn)二次側(cè)整流管的ZCS，所以在設計時為了提高效率，盡量使得開關管工作頻率保持在fm和fr之間，在fs=fr時實現(xiàn)了效率的最大化。

3 控制電路設計

LLC諧振變換器是采用L6599實現(xiàn)恒壓輸出，而LED驅(qū)動需采取恒流驅(qū)動。為保證恒流/恒壓輸出特性，LED電源的需要同時具備電壓環(huán)和電流環(huán)控制電路［15～16］。ST公司推出的集成芯片TSM103具有以上功能。TSM103是由兩個運放和一個三端穩(wěn)壓基準器TL431集合，TSM103在許多應用程序或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供空間和成本節(jié)約電源管理，其內(nèi)部簡化示意圖如圖2，其應用電路如圖3所示。

圖2 TSM103管腳及內(nèi)部簡化示意圖

圖3 恒流驅(qū)動控制電路

如圖2所示，管腳1和7是兩路輸出端口，2和6是兩路反相輸入端，3和5是兩路非反相輸入端，4和8分別是地和電源輸入端。電壓基準器件TL431和運算放大器1的集成成一個理想的電壓控制器，運算放大器2再與這個集成的電壓控制器以及外圍電路配合，可以實現(xiàn)限流的功能。

如圖3所示，LED電流由電流互感器檢測，經(jīng)過R9將信號送到5號管腳；在內(nèi)部TL431的作用下，3號管腳產(chǎn)生2.5V的基準電壓，并為運算放大器1提供2.5V參考電壓；該基準電壓經(jīng)分壓為管腳5提供一個遠小于2.5V的基準電壓，比較器輸出信號變化實現(xiàn)對一次側(cè)開關管工作頻率的控制，從而達到LED的恒流輸出效果。

LED電源的恒流輸出特性決定了其輸出電壓隨負載變化而變化，過高電壓及過寬范圍的輸出電壓不適合集成芯片TSM103的Vcc供電，所以需要在變壓器增加輔助繞組為TSM103構造直流穩(wěn)壓電源，具體如圖4所示。

圖4 線性穩(wěn)壓電路

當輸出電壓隨負載變化而變化時，A點電壓而隨輸出電壓變換而變化，當A點電壓高于穩(wěn)壓管ZD1的穩(wěn)壓值時，A點電壓通過R10擊穿ZD1并為其提供反向電流同時向Q2提供一基級電流，Q2工作于線性放大區(qū)。因為芯片TSM103負載電流不變，即Q2的集電流不變，其基級電流也不變，當電源輸出電壓變化引起A點電壓變化時，ZD1的反向電流變化，B、C點電壓保持不變，這樣便可以為TSM103提供恒定的Vcc及Icc。

4 實驗驗證

為了驗證本文提出的設計方法，設計一臺半橋LLC諧振變換器實驗樣機，技術參數(shù)如表1所示。

表1 半橋LLC諧振變換器的電路參數(shù)設計指標

圖5為開關管S2在滿載工作的情況下軟開關波形，圖中分別為開關管S2的驅(qū)動信號VGS，開關管漏源電壓VDS以及通過開關管的電流iS2。由圖可知，當開關管開通前，其漏源電壓已經(jīng)降為零，其內(nèi)部的體二極管已經(jīng)導通，此時開關管實現(xiàn)零電壓導通；當開關管關斷時，由于開關管寄生電容存在，電壓不能突變，其漏源電壓仍為零，此時實現(xiàn)了零電壓關斷，由此可知，開關管實現(xiàn)的軟開關。

圖5 開關管S2的實驗波形

圖6為諧振電容Cr上的實驗波形，圖中分別為諧振電容Cr電壓Vcr和電流icr，從圖中能夠看出Cr兩端的電壓波形接近正弦波，電流icr超前諧振電壓90度。

圖6 諧振電容電壓波形與電流波形

圖7為LLC諧振變換器輸出電流紋波波形，其峰值在27mA左右。通?？紤]到LED燈珠的使用壽命，為防止LED發(fā)光的高頻閃爍，紋波電流的大小需小于輸出電流的10%。本文設計中的波紋電流在5%左右，滿足要求。

圖7 電流紋波實驗波形

5 結語

在半橋LLC諧振變換器基礎上，采用L6599作為諧振變換器的控制芯片，重點分析基于TSM103的恒壓、恒流電路及線性穩(wěn)壓器在方案中的應用，對其進行了詳細的理論分析以及實驗驗證。由理論分析及實驗結果可知，半橋LLC諧振式恒流驅(qū)動電源可以減小開關損耗，提高整機效率，恒流控制可以減小LED光衰，提高LED照明性能。

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