大功率LED无源均流驱动电源的研究

徐 超

(广东交通职业技术学院，广东广州 510800)

1 引言

LED即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED具有环保、节能、寿命长、抗震动冲击等特性，已经被迅速地应用于各种背光、广告灯、幕墙、路灯、节能灯、车灯等领域。由于LED驱动电源的品质会直接影响LED照明产品的可靠性，而LED驱动电源又是目前整个LED照明系统中故障率最高的环节，因此伴随LED应用领域的不断扩大，开发安全、可靠、高效、节能、体积小、寿命长、均流效果好的LED驱动电源成为必然的趋势。

2 大功率LED的特性和驱动电源电路的基本结构

2.1 大功率LED的特性

以LL-HP60EW为例，大功率LED的伏安特性模型可表示为:

其中 UT——LED的启动电压，UT=3.1V;

Rs——LED 的通态电阻，Rs=1.1Ω;

T——环境温度;

TV——LED正向电压的温度系数，TV=2mV ℃。

由于单个LED的功率较小，一般多个串并联使用。用20个参数一致的LED串联为LED列，其静态电阻为200Ω，动态电阻为22Ω。从LED的模型看，在LED正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且环境温度等因素也将影响LED的电气性能。然而，LED的光输出直接与LED的电流相关，所以LED的驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动时应能控制LED电流的大小，否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素的变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命。

2.2 驱动电源电路的基本结构

大功率LED与标准LED的差别在于它的输出功率，传统LED的输出功率一般都限定在50mW以内;而大功率LED的输出功率在1～5W［1］。根据电流的不同，LED的正向电压处于2～4.5V之间，并且需要采用恒定电流来驱动，从而确保获得所需要的发光亮度和色彩，其驱动电源电路的基本结构如图1所示。

图1 大功率LED驱动电源的电路基本结构Fig.1 The circuit structure of high-power LED driving power

3 无源均流模块电路分析

驱动大功率LED时，最好将LED采用多个串联再并联的方法［2］。为了保证各LED串联能安全稳定工作，可将驱动电源分为无源均流和有源均流两种。无源均流和有源均流相比较，具有效率高、成本低、控制简单的优点，本文利用给每条LED串联支路增加一个低值电容进行无源均流。

3.1 电容均流电路结构

若半桥谐振变换器采用LLC电路，在每个支路串接一个低值电容Cb作为均流电容，起着阻抗作用，后级的整流采取了全桥整流，其电路结构如图2所示。

图2 半桥LLC谐振变换器均流结构图Fig.2 Half-bridge LLC resonant converter average-current structure

3.2 电容均流等效电路

电容均流谐振变换器等效电路如图3所示。设变压器副边总电阻Re'，副边电阻等效折算到原边为R'，则有

由于认为均流电容只是高阻抗性，其电容值很小，其折算电容与谐振电容Cr不在同个级别，可认为均流电容的折算电容不影响谐振，可忽略计。但每个导通支路总电容Cb'的电抗是等效折算到原边，则副边总电阻Re'为

式 (2)、(3)中，n为变压器变比，N为每半周发生均流支路数，Re为整流滤波模块等效电阻，因均流电容Cb1=Cb2=… =Cbi=Cb，每个支路回路有两个均流电容串联，则C'b=Cb2。

图3 电容均流谐振变换器等效电路(均流电容不影响谐振)Fig.3 Equivalent circuit of capacitance average-current resonant transformer

3.3 电容均流模块工作原理

在半个周期里或是偶数条支路同时导通，或是奇数条支路同时导通，可任取其中两条同时导通的支路进行分析，如1和3支路，其等效电路如图4所示，支路阻抗矢量图如图5所示。

图4 电容均流模块等效结构Fig.4 Equivalent module of capacitance average-current module

当电路工作时，第1条支路和第3支路的电流比为

其中，Rei(i=1，2，…，n)为第 i条支路负载的交流等效电阻。

当均流电容的交流阻抗远大于负载的等效电阻时，可得

图5 支路1和支路3阻抗向量图Fig.5 Impedance vector of branch 1 and 2

代入式(4)，则有

当C'b1=C'b3时，可得

式(7)说明在理想状态下，两个支路的电流相等，达到均流的效果。

若当电容C'bi发生偏差或输出负载的等效阻抗发生偏差时，则电流偏差珔X为

式中，s=1 (ωC'b1Re1)，C'b3=C'b1(1 ± α)，Re3=Re1(1 ±β)。

当 Cb1=Cb2= …Cbi=Cb，即 C'bi=Cb2，α =0 时，则有

由于变压器副边的输出电流是按奇数、偶数分给各均流支路的。整流输出Is(t)中的高频成分被滤波电容 C0、C1、…、C2n滤去，只有直流分量流过负载 R1、R2、…、R2n，其值用 I0n表示，则有

式(10)中，I0n是 n=1、2、3、…、2n 条支路上负载两端的电流幅值。

由式(10)知，流入每条支路整流模块的电流幅值为 Is1n，则有

由于变压器副边的输出电流是一定的，所以

(IT为变压器副边输出总电流幅值)。当均流电容电抗远大于输出负载的等效阻抗时，根据式(7)可得各负载的电流关系为

由式(12)、(13)、(14)得

由式(11)、(15)得

当均流电容的电抗远大于输出负载的等效阻抗，从阻抗的向量图显示，每个等效电阻的交流电容C'bi(大小为两个均流电容串联)的电抗几乎相同的，此时在电压相同的情况下，负载在一定范围内的差异变化，对电流的影响可以忽略，输出电流可视为恒定。

由于均流电容的折算电容C'很小，对LLC谐振电路有一定的干扰，但影响不大，可以略去。

4 大功率LED均流驱动电源的设计

4.1 大功率LED均流驱动电源主电路(以6路为例)

6路LED均流驱动电源主电路包括:整流滤波电路、PFC电路、半桥LLC谐振变换器和均流电路，如图6所示。相关技术参数要求如下:输入市电AC110V～270V，频率在50Hz～60Hz之间;LLC谐振变压器为理想变压器，不考虑漏感，变比n=2∶1;LLC输入额定电压400V，输出功率为230W;6路负载输出，每路输出350mA。

图6 6路LED均流驱动电源主电路Fig.6 LED average-current main circuit of branch 6

4.2 PFC电路设计

本文所采用的功率因数校正(PFC)芯片为L6562，主电路如图7所示，控制电路如图8所示。

4.3 LLC谐振电路设计

本文选取L6599芯片作为谐振电路功率开关管MOSFET管的门极触发信号，门极电压为12V，采用半桥LLC谐振变换器结构。其中LLC的输入技术参数来自上一级PFC的输出，相关参数设计为:PFC输出电压(即LLC输入)范围:DC 361～439V;PFC额定输出电压(即 LLC额定输入):DC 400V;变压器(不考虑漏感)变比为:n=2∶1;LLC输出功率:230W;LLC最大工作频率:150KHz;谐振电感和励磁电感比值:k=0.2，一般取值范围为1 10 ～ 1 2。

图7 PFC L6562主电路Fig.7 PFC L6562 main circuit

图8 PFC L6562控制电路Fig.8 PFC L6562 control circuit

5 仿真实验和分析

设置相关的电路参数(如表1)，各路LED等效电阻值分别以单个LED内阻(11.5Ω)的50%发生变化，模拟每路LED发生故障时的短路或断路现象，各路LED等效电阻基准电阻为69Ω，电阻偏差范围在－25% ～16.7%之间。按图6所示的6路LED均流驱动电源主电路分别在“不接均流电容”和“接均流电容”状态下进行仿真。仿真图形分别如图9至图12所示，仿真数据统计如表2所示。

表1 仿真电路参数的设置Table 1 Simulation circuit parameter setting

从仿真实验和表2统计数据可知:当大功率多路LED驱动电源采用整流滤波、PFC功率校正、LLC半桥谐振变换器时:

(1)不接均流电容 当各路LED等效电阻值相等时，各路LED电流有效值Ij(称为基准电流有效值)均为 1.19389A，当 LED负载在 －25% ～16.7%变化时，电流有效值Ii与基准电流值Ij最大偏差－24%，最小偏差是5.6%;

(2)串联均流电容 当各路LED等效电阻值相等时，各路LED电流有效值I'j(称为基准电流有效值)均为0.35470A，LED负载同样在 －25% ～16.7%变化时，负载电流有效值I'i与基准电流值I'j最大偏差是3.5%，最小偏差是0.5%。

由此可见，接上均流电容比不接上的均流效果好，且由于使用的元件少，损耗也小，此均流方法具有较高的效率。

图9 不接均流电容 (Ro1～Ro6=69Ω)Fig.9 Capacitance average-current not connected(Ro1～Ro6=69Ω)

图10 不接均流电容 (Ro1≠Ro2…≠Ro3)Fig.10 Capacitance average-current not connected(Ro1≠Ro2…≠Ro3)

图11 接均流电容 (Ro1～Ro6=69Ω)Fig.11 Capacitance average-current connected(Ro1～Ro6=69Ω)

图12 接均流电容 (Ro1≠Ro2…≠Ro3)Fig.12 Capacitance average-current connected(Ro1≠Ro2…≠Ro3)

表2 仿真数据统计Table 2 Simulation data statisticals

6 结论

由于节能和环保的要求，LED技术在照明行业的广泛应用是一个新趋势。在众多使用场合中，LED多以串并联结构形式出现，易导致因个别LED出现短路或断路现象而使驱动电源的负载发生变化，这时要求所连接的LED之间能重新分配电流，以免因电流过大击穿。本文提出了一种使用市电的大功率多组LED无源均流驱动电源的电路方案，即当大功率多路LED驱动电源采用LLC半桥谐振变换器时，在LED负载串联均流电容。通过仿真实验结果表明，在多路LED负载因个别短路或断路原因发生负载变化时，各LED串之间能重新合理分配电流，并且电路具有效率高、成本低、控制简单的优点，适合用于大功率多组LED串并联连结方式。

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