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(dāng)今的熱點(diǎn)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(diǎn)，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(xiàn)［1］基于反激變換器采用雙反饋控制回路實(shí)現(xiàn)了恒流穩(wěn)壓控制，提高整機(jī)的功率密度；文獻(xiàn)［2～3］討論了LLC級和PFC級各主要電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，制作了一臺高效率、高性能的LED驅(qū)動電源；文獻(xiàn)［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(xiàn)［5］基于Flyback拓?fù)涞膯渭壒β室驍?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(xiàn)［6～7］將LLC諧振電路作為DC/DC變換，結(jié)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(dāng)LED電源帶載時其輸出為恒流特性［8］，當(dāng)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?fù)渥鳛镈C/DC變換，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)減小了功率器件的開關(guān)損耗，采用芯片TSM103W實(shí)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?fù)?/h2>

圖1是半橋LLC諧振變換器主電路拓?fù)?，其中S1和S2為一次側(cè)開關(guān)管，VD1和VD2分別為開關(guān)管S1、S2的寄生體二極管，C1和 C2分別為開關(guān)管 S1、S2的寄生結(jié)電容，S1和 S2為 180°互補(bǔ)導(dǎo)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(fù)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(guān)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(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)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?fù)?/p>

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(diǎn)［10～11］：

1）開關(guān)頻率變化范圍寬，能實(shí)現(xiàn)整個運(yùn)行范圍內(nèi)的一次側(cè)開關(guān)管零電壓開通（ZVS）和二次側(cè)整流二極管零電流關(guān)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(yīng)力。

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

設(shè)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(dá)式分別為

1）當(dāng) fm＜fs＜fr時，設(shè) 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(shè)計(jì)合理，變壓器一次側(cè)開關(guān)管S1、S2可實(shí)現(xiàn)ZVS，二次側(cè)整流二極管在iLr=iLm時電流減小為零，實(shí)現(xiàn)ZCS。

2）當(dāng)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(guān)管S1、S2實(shí)現(xiàn)ZVS，二次側(cè)整流二極管實(shí)現(xiàn)ZCS。

3）當(dāng)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(guān)管能在任意負(fù)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(fù)，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(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS，而且在fm＜fs＜fr時可以實(shí)現(xiàn)二次側(cè)整流管的ZCS，所以在設(shè)計(jì)時為了提高效率，盡量使得開關(guān)管工作頻率保持在fm和fr之間，在fs=fr時實(shí)現(xiàn)了效率的最大化。

3 控制電路設(shè)計(jì)

LLC諧振變換器是采用L6599實(shí)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(yùn)放和一個三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)器TL431集合，TSM103在許多應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)器件TL431和運(yùn)算放大器1的集成成一個理想的電壓控制器，運(yùn)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(shí)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(zhǔn)電壓，并為運(yùn)算放大器1提供2.5V參考電壓；該基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓為管腳5提供一個遠(yuǎn)小于2.5V的基準(zhǔn)電壓，比較器輸出信號變化實(shí)現(xiàn)對一次側(cè)開關(guān)管工作頻率的控制，從而達(dá)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(fù)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(gòu)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(dāng)輸出電壓隨負(fù)載變化而變化時，A點(diǎn)電壓而隨輸出電壓變換而變化，當(dāng)A點(diǎn)電壓高于穩(wěn)壓管ZD1的穩(wěn)壓值時，A點(diǎn)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?yàn)樾酒琓SM103負(fù)載電流不變，即Q2的集電流不變，其基級電流也不變，當(dāng)電源輸出電壓變化引起A點(diǎn)電壓變化時，ZD1的反向電流變化，B、C點(diǎn)電壓保持不變，這樣便可以為TSM103提供恒定的Vcc及Icc。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一臺半橋LLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，技術(shù)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(shè)計(jì)指標(biāo)

圖5為開關(guān)管S2在滿載工作的情況下軟開關(guān)波形，圖中分別為開關(guān)管S2的驅(qū)動信號VGS，開關(guān)管漏源電壓VDS以及通過開關(guān)管的電流iS2。由圖可知，當(dāng)開關(guān)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(dǎo)通，此時開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，由于開關(guān)管寄生電容存在，電壓不能突變，其漏源電壓仍為零，此時實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，由此可知，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)的軟開關(guān)。

圖5 開關(guān)管S2的實(shí)驗(yàn)波形

圖6為諧振電容Cr上的實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)中的波紋電流在5%左右，滿足要求。

圖7 電流紋波實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)語

在半橋LLC諧振變換器基礎(chǔ)上，采用L6599作為諧振變換器的控制芯片，重點(diǎn)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(yīng)用，對其進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，半橋LLC諧振式恒流驅(qū)動電源可以減小開關(guān)損耗，提高整機(jī)效率，恒流控制可以減小LED光衰，提高LED照明性能。

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