基于多串變壓器LLC控制的LED驅動電路設計

陸朱衛(wèi)，黃其新

（三江學院，江蘇 南京 210012）

基于多串變壓器LLC控制的LED驅動電路設計

陸朱衛(wèi)，黃其新

（三江學院，江蘇 南京 210012）

和高壓鈉燈、節(jié)能燈等傳統(tǒng)燈具相比，大功率LED照明系統(tǒng)更加節(jié)能、環(huán)保，且具有更長的壽命，在室外照明和其他高功率場合具有很大的潛力。傳統(tǒng)的大功率LED照明驅動電路由AC/DC變換器和多個恒流DC/DC變換器構成。為了提高效率和可靠性，文章提出一種適合于大功率LED照明驅動的新型多串變壓器LLC諧振變換器，該變換器基于磁平衡技術驅動多串LED負載，以UCC25710作為控制芯片制作了一款100 W的LED驅動電路。實驗結果表明該電路結構簡單、工作可靠、具有更高的效率。

多串變壓器；LLC諧振變換器；LED驅動電路；磁平衡技術

LED技術作為一種有潛力的照明技術，正逐步取代低效能白熾燈和熒光燈。在日常LED照明應用中，大功率LED照明系統(tǒng)與高壓鈉燈和節(jié)能燈這類傳統(tǒng)燈具相比更加節(jié)能、環(huán)保，且具有更長的使用壽命。

為保證每個LED具有相同的亮度，應為驅動系統(tǒng)提供恒定電流。通常對額定功率超過65 W的系統(tǒng)，LED矩陣中將會包含多串并聯(lián)的LED負載，每串負載都應由恒定電流源控制并且流經每串負載的電流應相同，以確保相同的系統(tǒng)亮度[1-2]。

本設計提出一種適合于大功率LED照明驅動的新型多串變壓器LLC諧振變換器，通過該拓撲結構，采用磁平衡技術驅動多串LED負載，能使系統(tǒng)具有高效率和高可靠性。

1 傳統(tǒng)的大功率LED照明驅動電路

傳統(tǒng)的大功率LED照明系統(tǒng)結構如圖1所示，由PFC、隔離DC/DC變換以及非隔離式DC-DC變換3部分組成。其中PFC電路通常采用Boost升壓電路結構，用于提供正弦輸入電流,PFC電路的輸出電壓將會高于輸入電壓的峰值,所以通常選擇直流380～400V作為輸出電壓。由于PFC的輸出電壓高而且是非隔離式，所以需要采用具有隔離變壓器的DC/DC變換電路，通常采用半橋式LLC諧振變換器，具有較高的效率和良好的抗干擾性[3-5]。

由于傳統(tǒng)結構為三級電路拓撲結構，具有多個DC/DC電路環(huán)節(jié)，需要采用多個控制器、電感器和電容器。在成本、可靠性、效率上不具備優(yōu)勢，該電路的最大效率大約為88%。

2 新型大功率LED照明驅動電路

針對傳統(tǒng)拓撲結構中的問題，本文采用多串變壓器設計一款新型LED驅動電路。電路結構如圖2所示，包含有PFC和多串隔離變壓器LLC變換器的兩級電路結構，省掉了傳統(tǒng)結構的DC-DC多串恒流部分[6]。LLC變換器之后串聯(lián)多個變壓器，構成半橋式隔離型多串LLC諧振變換器，由于變壓器串聯(lián)，其一次繞組的電流相等，根據磁平衡理論，各個變壓器的二次繞組電流也相等。所以各個隔離式變壓器都具有相同的輸出電流用于驅動每串LED負載，每個變壓器連接兩串獨立的LED負載，這樣在電流的正負半周都有一串LED負載導通，電流正負對稱，所以兩串LED負載具有相同的電流。

圖1 傳統(tǒng)大功率LED照明系統(tǒng)結構

圖2 新型LED驅動電路

與傳統(tǒng)的大功率LED照明驅動電路相比，新型電路結構具有高效率、低成本、高可靠性、兼容調光等優(yōu)點。

3 新型多串變壓器LLC諧振控制器

UCC25710是基于LLC諧振半橋式拓撲結構開發(fā)的控制器，它包括了實現LED驅動的所有必要功能，包括了電流環(huán)路誤差放大器，電壓控制振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO），參考調節(jié)器，軟啟動，調光負載循環(huán)補償和為LED輸出過壓，LED 輸出欠壓、過溫及原邊過流等保護措施。在調光期間它還可以最大限度地減少音頻噪聲。

UCC25710結構如圖3所示，其反饋回路利用總電流采樣電阻來調整LED串負載的總電流。LED串負載總電流會被R3到CS引腳檢測到，電流環(huán)路誤差放大器用來調節(jié)LED輸出總電流實現恒流，將電流放大器Icomp的輸出設置為VCO的控制電壓，這樣為LED串的LLC拓撲結構配置一個閉環(huán)電流反饋回路。

圖3 新型LED驅動電路

多串變壓器LLC諧振控制器放置在次級側，它能監(jiān)測LED負載的總電流并使用電流反饋回路調整。流經變壓器原邊繞組的正弦波交流電流，同時通過磁平衡理論保證每串LED 負載具有恒定電流輸出。

4 LLC多串變壓器設計

多串變壓器的設計符合磁平衡理論。如圖4（a）所示，多串變壓器的初級線圈串聯(lián)連接。在理想情況下，假如變壓器線圈匝數相同，那么相同的初級繞組電流將會產生相同的次級繞組電流。

變壓器并非理想的電氣元件，由于它自帶勵磁電感，導致LED串負載輸出的二次繞組電流略有不同。但是勵磁電流僅占初級繞組電流的一小部分，并且對于勵磁電流的差異，電流匹配并不敏感。為了獲得完美的電流匹配，在多串變壓器LLC設計中增加了磁化電感Lm，如圖4（b）所示。

圖4 多串變壓器結構

為了簡化電路，拓撲結構使用一個變壓器來驅動兩串LED負載，如圖5所示。同一個變壓器中，當初級繞組的正弦交流電正向流動，次級繞組的電流沿相同的耦合方向流動。另一方面，當初級繞組的正弦交流電反向流動時，次級繞組一側其他電流回路受到開關循環(huán)的控制，如圖5所示。在輸出端的直流阻塞電容保證正向電流和負向電流在每個開關循環(huán)均相同。

圖5 變壓器驅動LED電路結構

多串變壓器LLC變壓器結構設計和傳統(tǒng)的LLC轉換器設計類似。為了使用傳統(tǒng)的LLC轉換器設計步驟，就要把多個變壓器和反映負載合并為一個等價的變壓器負載。那么，只要確定等價變壓器的諧振電感Ls和勵磁電感Lm就可以得到每個變壓器的參數。當工作頻率等于串聯(lián)諧振頻率時，多串LLC轉換器的輸入和輸出電壓可表示為：

式中，n是初級繞組和次級繞組的匝數比；VDC是LLC轉換器的輸入電壓，通常這個值等于PFC升壓轉換器的輸出值；VLED是LED串負載的電壓，NT是變壓器個數。

5 實驗結果

根據文中設計本設計開發(fā)了一款100 W LED驅動電路，該電路具有4串LED輸出，每串可接10～20 LED負載。由于變壓器初級繞組串聯(lián)的磁平衡，所以多串變壓器LLC轉換器具有良好的電流匹配性能。

表1說明了電流隨輸入電壓的變化，從表中可以看出在不同電壓下，LED驅動電路的電流基本保持不變，而且每串LED負載的電流保持平衡。

表1 不同電壓下的電流值

續(xù)表1

不同輸入電壓對應的效率如表2所示，從中可以看出最高效率達91.1%，該效率比傳統(tǒng)的LED電路高出3%左右，表現出優(yōu)良的性能。

表2 不同電壓下的效率

6 結語

針對傳統(tǒng)大功率LED驅動電路中存在的成本、可靠性、效率等方面的不足，本文設計了基于多串變壓器LLC控制的LED驅動電路。該電路省掉了傳統(tǒng)結構的DC-DC多串恒流部分，在PFC電路之后有一個半橋式隔離型多串LLC諧振變換器，該變壓器的初級繞組以串聯(lián)方式連接，每個變壓器能夠驅動兩串獨立的LED負載。實驗結果表明該電路不僅結構簡單、工作可靠，而且具有良好的電流匹配性能，最大效率可達91%，具有很好的應用價值。

[1]張昌錢.一種高效大功率LED驅動電路的設計[D].長沙：中南大學，2013.

[2]倪新龍.新型大功率LED照明驅動電源的設計與實現[D].廣州：華南理工大學，2013.

[3]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]張晶晶，張濤，鄭奇，等.大功率LED在線性及PWM調光下的電光轉換效率及熱分析[J].光電子·激光，2013（1）：50-55.

[5]陸朱衛(wèi)，楊正理.基于DSP的精密電流源設計[J].電源技術，2012（6）：873-875.

[6]佚名.TI新型兩級拓撲結構低成本LED驅動方案[EB/OL].（2013-11-05）[2016-12-10].http://app.semi.org.

Design of LED drive circuit based on series transformer LLC control

Lu Zhuwei, Huang Qixin
（Sanjiang University, Nanjing 210012, China）

Compared with the high pressure sodium lamp, energy-saving lamp and other traditional lamps, high-power LED lighting system is more energy-saving and environmental protection, and has a longer life, it has a great potential in the outdoor lighting and other high power applications. The traditional high power LED lighting drive circuit is composed of AC/DC converter and some constant current DC/DC converters.In order to improve the efficiency and reliability, series transformer LLC resonant converter which is suitable for high power LED lighting driver is proposed in this paper, it can drive several LED loads based on the magnetic balance technique. The 100 W LED drive circuit was designed by using UCC 25710 as a control chip. The results show that the circuit has simple structure, high reliability, and higher efficiency.

series transformer; LLC resonant converter; LED driver; magnetic balance technique

陸朱衛(wèi)（1984— ），男，江蘇啟東，碩士，講師；研究方向：電力電子與電力傳動。