基于LLC谐振变换器的LED驱动电源设计

卢鹏飞，王 鸣，谢 鹏，李伟东（安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖 241000）



基于LLC谐振变换器的LED驱动电源设计

卢鹏飞，王 鸣＊，谢 鹏，李伟东
（安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖 241000）

摘要：LLC串联谐振变换器在开关电源中广泛运用，但设计中反复实验的方式确定变换器参数不可取．利用FHA分析建立数学模型得到归一化公式，再通过Mathcad图形拟合各个参数保证设计的合理性．整体上由变换器建模获得直流增益曲线，从而对变换器各个参数进行优化设计．通过设计160WLED驱动电源验证该方法的可行性并满足EMI测试要求，针对变换器匝比、谐振电感、谐振电容和励磁电感给出具体设计步骤．

关 键 词：LLC串联谐振；归一化公式；图形拟合

近年来LED节能照明迅速发展，针对路灯系统提出了高效、高功率、满足电磁兼容等设计要求．LLC谐振变换器可在全负载范围内实现开关管的ZVS和整流二极管的ZCS［1］，具有高效率、低EMI等优点，因而在大、中型LED驱动电源中运用广泛．随着LLC谐振变换器研究的深入，对变换器设计要求也越来越高，快速选择合适的参数并达到性能指标是工程研究的重点方向．简要描述LLC谐振变换器稳态工作特性，旨在讨论运用FHA分析建立变换器稳态模型，由此获得变换器的直流稳态增益曲线．增益曲线能够直观反映LLC变换器在不同状态下的增益特性，通过图形拟合方式优化变换器各个参数．由上述思路可以为变换器整体设计提供重要依据，在实际工程设计中具有理论指导意义．

1 半桥LLC谐振变换器工作机制

半桥LLC谐振变换器如图1所示．由图1可知，50%占空比交替方波电压驱动半桥开关S1、S2，等效电路可将输入部分描述为方波信号；Lr与Cr可构成串联谐振腔，同时谐振电容Cr具有隔离直流分量的作用，可以避免变压器的偏磁现象（其中Lm为励磁电感）；串联谐振变换器存在两个谐振点，分别为Lr与Cr．构成谐振频率点为fr1（此时Lm被钳位不参与谐振），Lr、Lm与Cr构成谐振频率fr2；变压器副边具有中间抽头，由整流二极管D3和D4组成的全波整流电路．

图1　LLC半桥谐振电路

变换器的工作过程如下：当S1开通、S2关断，能量由Vin提供，此时Lr与Cr构成谐振腔．Lm被输出电压钳位，D3导通，D4反向截止，谐振电感上电流大于励磁电感电流；Q1、Q2关断时经过dead－time，此刻Vin对寄生电容C1充电、C2放电，D3、D4均处于截止状态，谐振电感电流等于励磁电感上电流，谐振电流对C1充电、C2放电，直到C2电荷为0，S2体二极管D2导通；当S2开通、S1关断，D4导通，D3截止，Lm被输出电压钳位，输出能量由Lr与Cr谐振能量提供．S1、S2均关断变换器再次进入dead－time时，D3、D4均处于截止状态．C2充电、C1放电直到C1上的电压与Vin一致时，S1体二极管D1导通，能量回馈至Vin．以上工作机制周期反复，工程设计中谐振变换器正常工作频率fs设定在fr2≤fs≤fr1区域，此时变换器处于感性状态功率开关管能够实现ZVS；输出整流二极管ZCS，从而避免存在反向恢复带来损耗的问题，同时在负载变化的过程中依然工作在安全区，故设计LED驱动电源时应当考虑使变换器工作在此频率范围内．通过上述原理分析可知，首先必须明确变换器的工作区域，从而基于LLC谐振变换器的LED驱动电源具有高效及低EMI的优点．

2 基于FHA分析LLC谐振模型及特性

LLC变换器等效模型输入输出均为方波，利用FHA分析使得谐振转换器可以通过经典的方法分析复杂的交流电路，故文献［2－4］均从傅里叶分析角度出发．如式（3）、式（4）所示，可采用基波近似分析理解谐振变换器．LLC谐振变换器等效模型忽略漏感、寄生电容等参数影响，模型如图2所示．输入电压：

图2　变换器的等效模型

输出电压：

输入基波电压：

输出基波电压：

式中，Vinsq（t）、Vosq（t）输入输出半桥互补的方波信号进行FHA变换基波分量；Roac是电压型负载全波整流交流等效电阻．

由式（8）、式（9）、式（10）、式（11）可获得归一化谐振变换器的直流增益：

LLC变换器在不同负载情况下的直流增益曲线如图3所示．LLC变换器工作在谐振频率fr1处，Lr、Cr构成谐振阻抗最小，效率最高．由图3可以看出，当负载变轻时电路表现的特性更像是并联谐振，当负载增加时电路最终变成串联谐振状态［5］．根据不同的模式分成3个区域：区域3中开关管实现ZVS，随着负载变轻，增益下降，开关频率升高，此时Lm不会参与谐振，相当于谐振的串联负载；区域2中开关管实现ZVS，副边整流管零电流关断，该工作模式避免反向恢复问题．所以在设计中正常工作时应使电路工作在区域2，LLC变换器可获得较高的效率和低EMI的效果，谐振点处效果最佳．过载状态将在区域1工作，虽然此时副边整流管不能实现ZCS，但增益下降，从而使副边由于反向恢复，损耗也有所下降；区域3中为容性区域，此时开关损耗大容易导致MOS失效，在变换器任何工作状态下应当避免在该区域．

图3　半桥LLC的直流增益曲线

不仅如此，由图3还可以清晰地掌握变换器的工作区域，工程中要考虑满载、半载等各种负载情况下设计的合理性．设计时需要限制最大负载及开路情况下的最小开关频率，避免带来音频噪声；同理，实际产品设计中也要注意最高频率与dead－time限制和设定，避免上下管会出现共同的现象．综上所述，增益曲线的获得将保证开关电源频率以及谐振参数设计的合理性、直观性．

3 LLC谐振参数设计

Vo取值范围中需要考虑副边二极管的压降以及实际应用中LED负载存在的差异．而开关频率的设定也需要结合EMC要求中基倍频的能量分布．160WLED驱动电源满载时，LLC变换器的工作频率设定在100kHz左右．综合考虑变换器的工作频率范围，如轻载工作情况的最高频率以及在调光电路中10%负载下频率，频率变化同时需要满足增益要求．

3．2 励磁电感的设定

3．1 变压器匝比的设定

根据项目具体输入输出要求设计变压器的匝比：

式中，T为开关周期；tdead为半桥dead－time；Cj为结电容．LLC谐振电路工作在fs＜fr1情况下，则变压器次级整流二极管中的电流就会在开关管切换前按择正弦规律下降到零，实现ZCS［6］．设计合理的励磁电感能够保证在任何情况下实现ZVS，同时励磁电流表明回路环流的大小，主要由箝位输出电压和励磁电感决定．为了尽量减小开关管导通损耗，应当让励磁电感的值尽可能大．因此，根据dead－time可以算出一个满足原边开关管ZVS开通的最大励磁电感，该励磁电感值为最佳值［7］．实际中要变压器的规格、磁芯选择、电源体积等条件折衷，既要考虑电性参数的优化，也要考虑实际工程项目要求．

3．3 Q和Ln的设定

由式（1）、式（8）、式（9）可得：

当Lm确定后，式（16）中Ln×Q为常数，一旦Ln的值选取后，相应的Q也能确定［8］．由式（2）可知Lr，再由fr1可以获得Cr的值，从而确定了谐振腔的参数．接下来分析LLC谐振变换器中Q和Ln中的相关特性．不同Q值影响下的直流增益曲线如图4所示．由图4可知，保持Ln不变，随着Q不断增加，增益的峰值在不断下降，Lr产生的损耗上升．根据具体的要求选择满足最大增益点对应合适的Q值，通常Q选样在0．3～0．4左右．

同理可得不同Ln值影响下的直流增益曲线如图5所示．由图5可知，维持Q不变，随着Ln不断增加，增益的值在不断下降．根据设计要求选择合适的参数值从而获得Ln的参数范围，一般Ln选取3～5之间．

图4　不同Q值影响下的直流增益曲线　

图5　不同Ln值影响下的直流增益曲线

保持Ln×Q为常数影响下的直流增益曲线如图6所示．由图6可知，保持Ln×Q为常数，保持Lm为常数，若Lr下降，则Ln不断增加，Q值不断下降，增益的峰值在不断上升，频率的变化范围也变宽．因此，根据设计要求选择合适的参数值需要综合考虑各个参数的变化，在迭代的过程中获得Ln、Q等参数．

图6　保持Ln×Q为常数影响下的直流增益曲线

4 实验结果

根据设计要求输入90～305Vac，输出参数Vo＝114V、Io＝1．4A．前级采用过渡模式（TM）L6563芯片控制PFC，精确控制输出电压保护，能够输出稳定电压Vin为445V．选用TK15A60U能够承受15A600V作为半桥M OS，采用ST公司L6599作为半桥驱动芯片，其中，典型tdead为0．3uS．根据式（14）、式（15）、式（16）可获得n＝1．9、Lm＝744uH、Ln×Q＝1．305、Lr＝200uH．设开关频率为70KHz，根据实验调整可获得参数Q＝0．38、Ln＝3．72、Cr＝22nF．输出整流二极管采用超快速恢复SF1006G，规格为10A／400V，TO－220AB封装．变压器原边绕组上的电压波形及谐振电感上的电流波形如图7所示．不同的输入电压及不同输出下效率曲线如图8所示．不同的输入电压及不同输出下PF曲线如图9所示．

图7　原边绕组电压、谐振腔电流波形　

图8　不同输入输出下的效率曲线

图9　不同输入输出下PF曲线

5 结论

LLC串联谐振变换器拓扑的稳态模型分析得到直流增益，通过对LLC各个参数之间的相互拟合比较来完成谐振参数设计，再根据实际制作160W电源进行参数的优化．电源效率达94%，输入277Vac、90%负载，PF值高达0．9．通过样机测试符合EMI测试中EN55015、EN61000－3－2等要求，样机设计基于LLC谐振变换器的LED驱动满足工程中高效、低EMI等特点．

参考文献：

［1］ 谢小高，张军明，钱照明．一种具有自限流功能的LLC谐振变流器拓扑［J］．电力系统自动化，2006，30（1）：64－67．

［2］ 李星，吴文婕．基于基波分析法的全桥LLC变换器建模与仿真［J］．变频器世界，2013，17（4）：68－72．

［3］ 陆治国，余昌斌．基于FHA的LLC变换器稳态分析［J］．低压电器，2007，31（17）：9－13．

［4］ 陈启超，王建赜，纪延超．基于LLC谐振变换器的电力电子变压器［J］．电力系统自动化，2014，38（3）：41－46．

［5］ 苟欣璞，郭科成，肖学礼．基于全桥LLC谐振变换器的光伏逆变器升压DC／DC变换器设计［J］．电子设计工程，2015，23（17）：118－121．

［6］ 周伟成，马皓，张海军．半桥LLC谐振变换器效率优化方案的研究［J］．电力电子技术，2007，41（9）：57－59．

［7］ 任仁，张方华，刘硕．基于LLC直流变压器（LLC－DCT）效率优化的死区时间与励磁电感设计［J］．电工技术学报，2014，29（10）：141－146．

［8］ 胡海兵，王万宝，孙文进．LLC谐振变换器效率优化设计［J］．中国电机工程学报，2013，33（18）：48－56．

Anlysis and design of LED driver based on LLC resonant converter

LU Peng－fei，WANG Ming＊，XIE Peng，LI Wei－dong
（Anhui Provincial Key Laboratory of Electric and Control，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Abstract：LLC series resonant converter is widely used in the power of switch supply，but the design with trial and error experiments to determine the parameters is undesirable．The Analysis of FHA is used to obtain a normalization formula for the mathematical model．Pattern matching these parameters is employed to ensure the rational design by Mathcad graphics．As a whole，the DC gain curve is obtained by an inverter model，with the model parameters optimized．To verify the feasibility of the method and meet EMI test requirements，the 160WLED driver power supply was designed and a specific design steps was presented for transformer turns ratio，the resonant inductor，resonant capacitor and magnetizing inductance．

Key words：LLC series resonant；normalization formula；pattern matching

通讯作者：王 鸣（1957－），男，安徽巢湖人，副教授，硕导．

作者简介：卢鹏飞（1988－），男，安徽合肥人，硕士研究生．

收稿日期：2015－09－29

文章编号：1672－2477（2016）01－0043－05

中图分类号：TP17

文献标识码：A