高效率DC/DC恒流电源LED驱动创新设计方案

　　摘要：半桥LLC 谐振变流器作为中功率开关电源的最佳拓扑选择，通常应用在恒压输出场合中。针对用于LED驱动的高效率恒流电源的DC/DC 部分，这里提出一种适用于宽范围输出的新设计方法，并给出设计流程，分析了对设计参数的影响和高效率优化。同时根据所述设计原则构建了一台140 W 的半桥LLC 变流器样机，经过参数优化，其在整个输出电压范围内的效率均在95.5%以上。实验结果验证了半桥LLC 可作为LED 驱动的很好的拓扑选择，其在全负载范围内均可达到很高效率。

　　1 引言

　　半导体照明作为21 世纪的新型光源，具有节能、环保、寿命长、易维护等优点。用大功率高亮度发光二极管（LED）取代白炽灯、荧光灯等传统照明光源已是大势所趋。由于LED 自身特性，必须采用恒流源为其供电。因此，高效率恒流驱动电源的设计成为LED 应用中一个重要研究对象。LLC半桥谐振变换器以其高效率、高功率密度等优点成为现今倍受青睐的热门拓扑， 但一般用于恒压输出场合，传统LLC 被认为不适合应用于宽范围恒流输出。此处提出一种半桥LLC 新的设计方法，使其在宽范围恒流输出场合依然保持高效率。

　　因此，LLC 可作为LED 驱动的很好的拓扑选择。

　　2 恒流LLC 谐振变流器的设计方法

　　2.1 半桥LLC 变换电路概述

　　半桥LLC 谐振变流器电路原理如图1 所示。

　　两个占空比为0.5 互补驱动的开关管VS1，VS2 构成半桥结构，谐振电感Lr、谐振电容Cr 和变压器的励磁电感Lm 构成LLC 谐振网络，变压器次级由整流二极管VD1~VD4 构成全桥整流电路。

　　图1 半桥LLC 谐振变流器电路拓扑

　　半桥LLC 变流器有两个谐振频率。当变压器初级电压被输出电压箝位时，Lm 不参加谐振，Lr和Cr 产生的串联谐振频率为f1;当变压器不向次级传递能量时，Lm 电压不被箝位，Lm，Lr，Cr 共同参与谐振，构成谐振频率f2 为：

　　2.2 直流增益曲线及工作区间

　　采用基波近似方法， 可推导出LLC 谐振变流器的直流电压增益表达式为：

　　式中：m=Lm/Lr;fn =fs/f1，fs 为开关频率；Ro 为等效输出电阻。

　　图2 示出半桥LLC 变流器在不同负载情况下的直流增益曲线。LLC 工作在f1（即图中（1，1）点）时，谐振回路阻抗最小，损耗最低。所以在普通设计中，一般将满载工作点设计在该点。

　　图2 半桥LLC 的直流增益曲线

　　在图2 所示3 区间中， 开关管工作在容性区域，开关损耗大，所以在任何设计中都应该避免电路工作在此区域。而2 区间中，LLC 工作在谐振电流断续模式，可同时实现初级开关管ZVS 开通和次级整流管ZCS 关断，避免反向恢复，所以恒压输出的设计中， 一般将所有负载情况下的工作点设计在该区间中。但是在恒流宽电压范围输出设计中，负载变化大，对应的直流增益变化范围大， 很难保证全负载范围内所有的工作点均在ZVS 区域。并且电路工作在最大增益点和（1，1）点之间的曲线上， 这段曲线增益越小， 越接近谐振点。故仅能将满载工作点设计在直流增益高，即fs《f1 的区间， 输出电压小即轻载工作点设计在谐振点，满载效率不能得到优化，效率会很低。

　　在图2 所示1 区间中，fs》f1，LLC 工作在谐振电流连续模式，初级开关管可实现ZVS 开通，次级整流管不能实现ZCS 关断，会有反向恢复过程，但在输出电流小的情况下影响不大。这一区间增益曲线斜率较大，直流增益可调的范围广，可满足恒流宽电压范围输出设计的要求。