大功率照明LED驅動電路設計和研究

馬永紅，呂娓，李光林

（遼寧工業大學電子與信息工程學院，遼寧錦州121000）

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工程技術

大功率照明LED驅動電路設計和研究

馬永紅，呂娓，李光林

（遼寧工業大學電子與信息工程學院，遼寧錦州121000）

在對LED使用情況進行概述的前提下，分析了大功率LED驅動電源的作用以及發展過程中主要面臨的問題，重點對升壓式變壓器、半橋諧振變換器以及反激式變換器的原理和設計過程中需要重點注重的問題進行了闡述。

LED；大功率；驅動電路；設計

1　大功率LED驅動電源的作用及面臨的問題

大功率驅動電源是LED燈的重要部件，是LED燈系統的核心組件。通常來說，LED有以下幾點明顯的優勢：

首先，LED能夠高效穩定地輸出電壓，能夠使得LED燈得到更高的效率指數，加強節能減排的效果。第二，高效穩定的驅動電源能夠帶來一個穩定的工作熱環境，能夠顯著的提升LED的使用壽命，從而增強燈具的整體壽命和可靠性。第三，LED驅動電源能夠顯著控制并改變LED燈的工作方式，能夠使其滿足不同環境下的需求，從而達到按需照明的要求。LED具有廣闊的發展空間，但也面臨了一系列的問題。例如驅動電源的使用年限。由于傳統的恒壓電源會造成LED的光衰的增加以及壽命的縮短；在結溫升高以后光輸出會下降，更多的電能轉化為熱能，這就造成結溫升高，電能向光能的轉化降低。其次，傳統開關電源會造成電流諧波，降低輸入功率，因此要在設計中必須想方設法提高輸入功率。

2　升壓式變換器

Boost變換器是最基本的升壓式變換器，他具有升壓的特點，也是升壓式變換器名字的來源。他的基本結構是利用電感、電容、以及二極管相互連接，并通過并聯開關控制輸出電壓。通過周期性的開關開啟及閉合，可以把輸出電壓控制在輸入電壓之上。Boost電路因其結構簡單，很容易實現功能，在低壓電池供電中具有很廣泛的應用。但是Boost電路在工作中輸入端電流不斷增加會導致電感產生飽和作用，從而促進電流的進一步加大，導致電感被燒毀［1］。這就是升壓式變換器在電流連續模式下固有的不穩定問題。現在的控制電路功能不斷增加，功能越來越多，而且電路多處于閉環系統中運行，可以通過限制電感工作時的最大電流值控制器件的安全運行，避免電感的危險運行。但是必須注意設計出足夠的冗余量，防止電流達到飽和值。

3　半橋諧振變換器

串聯諧振變換器功能上和分壓器是類似的，結構上是通過將整流網絡和LC諧振網絡進行連接。但是當負載較小時，串聯諧振變換器難以對輸出進行調節，并且當負載很小或者接近于零的時候，串聯諧振變換器的頻率接近于無窮大。一般來說串聯諧振變換器中的半橋諧振LLC這一類，在平板中具有較為廣泛的應用，輸出功率一般達到0.1～0.6 kW。半橋諧振變換器通常具有串聯諧振變換器、并聯諧振變換器以及LLC諧振變換器三種拓撲結構［2］。LLC能夠避開其他兩者的顯著缺點。其中串聯諧振變換器SRC在輕載時其電壓波動范圍較大，并聯諧振變換器PRC能量循環存在一系列的弊端。LLC在二者基礎之上吸收其優點，和二者相比，不僅對其缺點進行了改進，還具有高效率、高開關頻率以及零電壓自動切斷的能力。由于這些方面的改進和優勢，LLC已經成為了目前較為歡迎的一種拓撲結構，在大功率照明以及背光源設計領域中具有廣泛的應用。但是，在設計LLC諧振變換器時必須考慮到Lr、Lm、Cr的選取。在設計這三個參數時必須考慮最大輸入電壓范圍、最大工作頻率以及最大負載值。通過給定的輸入電壓以及負載值能夠確定出變換器的最佳工作點。在實際使用中LLC諧振變換器通常運行在高諧振頻率以及最大支流電壓條件之下。從電器件使用效率來看，在諧振頻率情況下工作開關的損耗是最小的，消耗的能量也是最低的。在電壓下降或者負載降低的情況下，通過閉環控制系統能夠有效地降低工作的頻率。

4　反激式變換器

反激式變換器又稱BUCK-BOOST轉換器。他的拓撲結構原理是在開關導通時儲存能量，通過輸出濾波電容提供負載電流；在開關閉合時，通過把儲存的能量傳送到負載和濾波電容，補償電容在開關開啟時消耗的能量。反激式變換器最大的優點是電路簡單而且能夠獲得較為穩定的輸出；簡化操作過程，不需要利用切換達到穩定的效果；轉換的能耗低，造成的損失較小；變壓器的匝數很少［3］，如圖1。

圖1　反激式變換器基本結構

反激變換器有DCM和CCM兩種工作模式。在DCM狀態下，開關處于連接狀態時，能量轉移過程中受到主初級電感值較低的影響有較大的原邊峰值電流，造成電感值的急劇增加，導致對繞組的損耗以及輸入濾波的電容器紋波電流造成影響。因此，在DCM的選用中，必須保證開關管能夠負荷較為大的電流，才能夠保證工作環境的安全狀態。CCM狀態時，由于在開關管接通時有很明顯的漏電極電流，原邊峰電流很小，這就造成開關管能量的損耗。為了達到CCM值，必須保證原邊電流值在較高的區域，又因為變壓器殘存的能量值和變壓器的體積相互關聯，其他系數變化小，這就對變壓器體積提出了要求。由此可見，在DCM與CCM的變壓器設計過程中，其基本原理是相同的，但是對于原邊峰值電流的定義有些許不同。

反激式變換器在設計中必須注意變換器的儲能能力，因為在CCM方式工作時出現直流分量，導致變壓器能夠承載更多的電流，傳遞更多的能量；電感值在設計期不需要重點涉及，因為其只影響開關工作方式，如果在DCM工作時必須采取增大氣隙才不會使變壓器偏離設計值；原、副繞匝的匝數應當相當，這樣可以避免副匝伏秒值的平衡，避免ton時間的減小，否則，減小ton時間需要使用較長的時間來傳輸電能，容易出現ton結束后電流值升不上去，可以通過增加氣隙或者減小電感解決自我限制的作用。

［1］張春紅，馮永建，鄭鵬峰.大功率LED驅動器設計［J］.廈門大學學報（自然科學版），2009（1）:55-58.

［2］刁宏軒，唐志強.大功率LED照明設計淺析［J］.黑龍江科技信息，2009（7）:47.

［3］吳志強.LED照明的應用現狀與發展前景［J］.科技信息，2009（6）: 166.

（編輯：王璐）

Design and Research of High Power LED Driver Circuit

Ma Yonghong，Lv Wei，Li Guanglin
（College of Electronic and Information Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 1 21 000）

The article gives a brief introduction to the use of LED，analyzes the high power LED drive power role in the process of development and the main problems，with emphasis on the step-up transformer，half bridge resonant converter and the flyback converter principle and problems need to focus on in design process.

LED；high power；drive circuit；design

TM923.34

A

2095-0748（2015）22-0035-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.14

2015-10-20

馬永紅（1967—），男，遼寧海城人，碩士，副教授，現就職于遼寧工業大學電子與信息工程學院，研究方向：光伏發電。