基于可变电感的谐振式多路均流LED驱动器

梁国壮，田涵雷，徐晓玉

(河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 050018)

基于可变电感的谐振式多路均流LED驱动器

梁国壮，田涵雷，徐晓玉

(河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 050018)

为了解决现有LED驱动器采用变频控制实现后级的调光EMI高、脉宽调制(PWM)控制电路结构复杂，引入LLCC，LCLC等高阶谐振拓扑实现恒流输出系统体积大，成本高且功率密度低等问题，提出了一种基于可变电感的谐振式多路均流LED驱动器。采用可变电感(VI)代替固定电感值的方法，改变谐振频率实现调光及后级控制；引入谐振实现各开关管零电压开关 (zero voltage switching，ZVS)；将谐振电容用于各路均流以简化驱动器系统结构。根据LED驱动电路理论分析和仿真，设计制作了11 W实验样机，实现了4路LED均流调光。研究结果表明多路LED驱动电路改善了驱动器的均流和变频调光性能，提高了驱动器的功率密度和使用寿命，适合在手术照明和家庭照明中应用。

电子电路；LC谐振；可变电感VI；多路均流；LED调光

与现有灯具相比，LED具有寿命长、效率高、能耗低和响应快等特点[1-3]。然而LED受限于自身特性，难以满足大功率照明场合。同时，作为电流型器件其光特性受驱动电流影响明显，电压的微小变化会造成电流急剧变化，进而导致大电流一路灯串发生光衰甚至损坏而影响整个LED驱动器寿命与可靠性，因此实现各路灯串均流尤为重要[4-5]。有源均流拥有高均流精度[6-7]，但大量开关器件与控制芯片的引入，导致整个系统效率下降，成本增加。为此文献[8]提出采用电容充放电特性实现两反并联支路均流，但扩展单元功率密度较低。为了满足驱动电路易扩展的性能，文献[9]采用电容阻抗匹配实现均流，即利用电容容抗远远大于LED内阻的特点，使其每一路电流近似取决于电容，从而实现各支路自均流，但随着路数增加均流效果锐减。文献[10]同时利用电容阻抗匹配与电荷平衡实现多路均流，但为满足定频下恒流输出而设计的LCLC，LLC谐振网络使驱动器体积大幅度提升。文献[11—12]利用可变电感在定频下实现了多路输出，但需要每一路增加反馈控制，势必导致整个驱动器结构复杂、器件繁多，同时随着路数增加导致可变电感数量倍增，导致损耗增大、成本增高。

为了克服上述LED驱动器优点不能兼顾的问题，本文从传递效率、小型化、定频输出考虑，提出基于可变电感的恒频非隔离型多路LED驱动器： 利用可变电感改变谐振频率实现调光，避免了变频下高EMI的问题；且在均流电容的同时用于谐振电路，简化了驱动器电路结构；电路结构易扩展，仅需一个电容与两个二极管便可增加两路输出。

1 电路结构和工作原理

1.1 电路结构

图1为基于可变电感的恒频非隔离型多路LED驱动器原理图，由半桥斩波电路、LC串联谐振单元及整流单元组成，其中开关管：S1，S2，输出电容：C01，C02，Ds1，Ds2，Cs1，Cs2分别为开关管S1，S2体二极管和寄生电容。Cn为参与谐振的均流电容，整流二极管D1-D4完成半波整流并随输出路数增多而增加，Lvi为可变电感与前级构成谐振使电路工作在感性区完成半桥软开关(ZVS)。

1.2 工作模态分析

图2为驱动器稳态工作周期波形，电流工作在连续状态，各工作模态如图3所示。为简化分析，文中做出如下假设：1)电路中开关管均为理想器件；2)整流二极管无反向恢复时间；3)LED灯串两端的输出电容Co足够大，纹波近似为零。

模态1[t0-t1]:t0时刻，S2得到触发脉冲，谐振电流Ir通过体二极管Ds2与LED2，LED4构成回路。此时输出电容Co为LED1，LED3提供能量。

模态2[t1-t2]:t1时刻，电流Ir通过零点极性由负变正，S2两端被Ds2钳位，开关管S2零电压开通(ZVS)，此过程Ir与LED1，LED3构成回路。

模态3[t2-t3]:t2

模态4[t3-t4]:t3时刻，Ds1自然导通。同时，S1得触发信号，但未导通。此时体二极管Ds2续流，并与LED1，LED3构成回路。

模态5[t4-t5]:t4时刻，Ir过零为负，S1两端被Ds1钳位，S1零电压开通(ZVS)。此时Co为LED1，LED3提供能量。

模态6[t5-t6]:此阶段，与模态3相似，由于Cs2作用，S1软关断。电路进入短暂的死区时间，死区结束继续重复上述[t0-t6]工作周期。

1.3 多路LED自均流分析

驱动器每支路均流方式相同，因此仅取一路分析。[t0-t1]、[t4-t6]阶段对电容Cn放电，[t1-t4]内对电容充电。 已知电量、开关周期Ts与电流Ir1关系，根据电容1周期内电荷平衡，可知：

式中：Ir1为第一支路流经电容Cn的谐振电流；Qdis为Cn一周期内放电量；Qch为Cn一周期内充电量。

通过式(1)可知，每支路两串LED电流均衡仅取决均流电容Cn电荷平衡，而不受两路LED电压偏移影响。

任意两支路阻抗模型如图4所示，根据文献[13]可知，正弦交流电源供电时整流电路与其并联直流电阻Rdc可用交流电阻Rac等效，其中LED灯串电压为ULED，且馈入整流电路的电流Ir峰值为Ip，则平均功率Pa为

(2)

根据电路能量守恒原则，则：

对式(3)简化得Rac=2Rdcπ-2，其中任意两支路阻抗为Zj与Zk，则两支路的电流比值为A，其中ω=2πfs，当容抗远远大于LED灯串等效交流电阻Rac时，将式(6)重做推导，则：

分析式(5)，由均流电容Cn容值关系可知A=1，因此支路间可实现自均流。

2 VI设计与调光分析

2.1 VI设计

可变电感VI设计的重要环节为最大、最小电感值选取，同时必须考虑磁芯尺寸、气隙、绕组导线、磁导率与匝比等问题[14-15]。VI采用EI磁芯，结构如图5所示。VI输出端电流Ir、两侧控制绕组电流Idc、控制绕组与输出绕组匝数(Ndc，N)和磁通如图5 a)所示。其中VI在Lvi-min—Lvi-max范围内可调。图5 b)为VI阻抗模型，则电感线圈磁通量Фcn：

由式(6)可知，当控制电流Idc值为零时，Фcn最小，此时Ir为最小值。左、右臂阻抗与中间臂阻抗相比可忽略。对等式(6)重做推导得

则最大电感

与式(8)分析不同，此时左、右桥臂阻抗为Zdc-max不能忽略。则最小电感值Lvi-min：

2.2 恒频调光分析

与传统串联谐振相似，增益分析采用基波近似法，只考虑方波输入的基波分量。其中Ceq，Req分别为m路等效容值与LED灯串等效电阻：

将式(10)代入式(11)整理，则：

XL=2πfsLvi。

(13)

观察式(12)可知，电压增益仅取决于XL，其余均为已知参数。在受到外界扰动时，控制回路通过调节VI值捕获合适Q值曲线实现定频下的恒流输出。

根据欧姆定律，LED灯串输出电流为Irn：

整流后Io的均方值(即平均输出电流Ia)：

对式(15)分析知，VI改变直接影响平均输出电流Ia，w值不变。在理论分析中，LED驱动器可实现10%～90%大范围内调光。

3 仿真与实验分析

3.1 仿真分析

为了验证驱动器的可行性，根据文献[16]提出的LED等效模型，综合上述参数分析，设计仿真参数如表1所示，关键点的仿真波形如图7、图8所示。

图7为4路近似直线的输出，并且快速稳定在350 mA，说明了本文所提驱动器均流效果佳。

图8为改变Lvi值后的4路输出，基本稳定在120 mA，因此验证了可变电感用于调光的可行性。

表1 仿真电路参数

3.2 实验分析

为了进一步验证LED驱动器的均流效果，基于上述理论和仿真分析，采用XR-E LEDs搭建了一台11 W的原理样机，驱动4路LED灯串输出，4路灯珠数量分别为4，5，6，7以增大离散性验证均流效果。实验参数和仿真参数一致，具体实验仪器和器件型号如表2所示，关键点实验波形如图9—图13所示。

图9中半桥斩波电路输出电压Vp超前谐振电流Ir，电路工作在感性区，因此主开关管软开关(ZVS)得以实现，开关损耗低。

表2 实验器件型号

图10为4路输出电流波形。支路内2路输出电流波形互补相位相差半个周期，与理论分析一致。从4路近似直线的输出可知，利用电容阻抗匹配与电荷平衡相结合实现了多路LED均流的优点。

图11为4路输出电流纹波，文献[17—20]输出电流纹波(即电流峰峰值)在10%以内，LED照明不会闪烁；然而，第3路LED灯串纹波最大为33 mA，仍在可接受范围内。

图12为通过控制线圈改变电感值后的4路输出电流波形，由图12几乎直线的输出，证明了论文利用可变电感实现LED亮度调节的可行性。

图13表明，与传统的PWM调光电路[12]相比较，论文所提多路LED驱动器结构拥有更高的传递效率。

4 结 论

本文设计了一种基于可变电感的谐振式多路均流LED驱动器，通过VI的控制线圈改变电感值实现后级调节，消除了采用LCLC，LLC等高阶谐振网络实现恒流造成功率密度较低的缺点。利用体积较小的可变电感与均流电容相结合实现了LED亮度大范围调节，同时采用电容阻抗匹配与电荷平衡相结合实现多路均流，VI作为谐振单元实现了半桥开关管的ZVS，具有驱动电路结构简单、效率高和成本低的优点。论文给出了多路LED驱动器电路理论分析和VI的设计步骤，通过实验样机验证了驱动器电路的正确性和可行性，样机效率达到92.1%，适用于手术灯、家庭照明等小功率场合。驱动器功率增大时VI辅助绕组损耗增加，导致功率密度下降，因此大功率LED驱动器需要进一步研究。

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A resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor

LIANG Guozhuang， TIAN Hanlei， XU Xiaoyu

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to solve the problems of the traditional LED driver adopting the frequency control with high EMI, pulse width modulation (PWM) with the complex control circuit，and the LLCC, LCLC resonant topology realizing constant current output system with the large volume, high cost and low power density, a resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor is presented. The variable inductor(VI) is used to replace the fixed inductance, which changes the resonant frequency for achieving dimming and controlling. Meanwhile, the resonant is introduced to realize the high conversion efficiency in ZVS(zero voltage switching) of all devices. The current sharing capacitor is used in each channel to simplify the structure of the circuit. Based on the theoretical analysis and simulation, an 11 W laboratory prototype is built to achieve the 4-channel LED driver. The research results show the multiple LED driver improves the characteristic of the current-sharing and frequency conversion dimming, as well as the power density and the service life of LED drivers, suiting for application in surgery dimming and home lighting.

electronic circuit; LC resonant; variable inductor VI; multi-channel current sharing; LED dimming

1008-1542(2017)06-0570-08

10.7535/hbkd.2017yx06010

TM46

A

2017-09-26；

2017-11-08；责任编辑：李 穆

国家高新技术研究发展计划项目(863计划)(2015AAXXXX11)

梁国壮(1968—)，男，河北蠡县人，副教授，硕士，主要从事电力电子技术、电机电器及其控制技术方面的研究。

E-mail:guozhuangliang@hebust.edu.cn

梁国壮，田涵雷，徐晓玉.基于可变电感的谐振式多路均流LED驱动器[J].河北科技大学学报,2017,38(6):570-577.

LIANG Guozhuang，TIAN Hanlei，XU Xiaoyu.A resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(6):570-577.