CN103716960A - 一种用于大功率led光源的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光源驱动技术领域，尤其涉及并公开了一种用于大功率LED光源的驱动电路，包括PFC电路，还包括多串变压器LLC转换电路，所述的多串变压器LLC转换电路与PFC电路连接，用于对LED阵列的恒流驱动。所述的多串变压器LLC转换电路包括隔离半桥、多个相同的隔离变压器，多个隔离变压器的原边串联并与半桥连接，每个隔离变压器的副边连接两组反并的LED串。一种用于大功率LED光源的驱动电路，通过使用多串变压器LLC控制，对多个LED串进行恒流驱动，输出段不再有许多DC/DC转换器，大大减少了元器件的数量，同时也可以缩小印刷电路板的大小，具有低成本、高效率、高可靠性、良好的抗电磁干扰性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光源驱动技术领域，尤其涉及一种用于大功率LED光源的驱动电路。
背景技术
现在，LED技术已经作为取代效率低下的白炽灯和荧光灯的新技术而逐渐推广开来。在一般的LED照明应用中，高功率LED照明 (>100W) 与传统照明如高压钠灯和CFL节能灯相比，在节能和寿命方面显现出巨大的优势。对于大功率的专业LED照明市场定位主要为道路照明和其他的商业照明。
对于每一个LED灯珠来说，如果要达到同样的亮度，其中所施加的驱动电流应该恒定，能够不受驱动系统其他因数的影响。通常，对于功率规格大于65瓦的电源， LED 阵列会有几组LED串并联而成。同时，每组LED串必须工作在恒流状态，而且每组LED的电流应该尽可能一致以保证同样的系统亮度。另外, 电源系统应能够保证输入电流和供电系统同相位，这样就必须增加PFC（功率因数校正）电路, 以减少电流谐波和提高功率因数。
除掉上面提到的几点，对于大功率LED照明，效率和可靠性也是非常关键的指标。高效率不仅是为了节能的要求，同时对于电源转换器本身也是至关重要。因为对于LED照明供电系统，热处理也是一个大问题，如果电源效率高，将会导致整个系统的温升低，从而提高系统的可靠性和热性能。
附图 1 示出了一款典型的大功率LED驱动电源拓扑方案，是传统的3段拓扑，包含PFC功率因素校正电路（PFC Control），隔离PWM（LLC Control 以及非隔离的DC/DC（Buck Control）转换。此构架中，PFC电路把输入电流整形成正弦波。工程中，这部分电路一般用升压线路来实现，因为其电路简单以及优异的性能表现。在输入电压范围为85V到264V的应用中，PFC部分的输出直流母线要大于输入电压的峰值电压。一般会选择380VDC 到400VDC 之间。由于PFC部分的输出电压太高并且是非隔离的，那么就要通过一个变压器隔离的直流转直流转换器（DC/DC），半桥LLC转换因为其高效率和优异的EMI性能（抗电磁干扰性能）而被广泛使用。DC/DC部分产生一个相对合适的电压去驱动LED串。具体输出电压值取决于LED的数量和后面所接的恒流控制系统类型，一般为低于60伏的标准安全电。每组LED串会有一个独立的电流控制器去调节输出电流。大多数高亮度的LED灯珠，电流规格一般在350mA到750Ma，每段的最优化效率大致如下：PFC段97%、隔离PWM段96%、非隔离DC/DC段95%。因此整个系统的效率最大只能是大约88%。当然，有很多方法还是能够提高效率，譬如在隔离PWM段或者DC/DC段使用同步整流控制等等，但是成本将大幅上升。因而传统结构存在以下缺陷：
1、成本高：由图1可知，每一个LED串上都有DC/DC转换器，结果就是因为使用很多控制器和电感、电容使得成本很高；
2、可靠性差：由于需要很多外部器件，这会大大降低系统的可靠性；
3、抗电磁干扰性差：由于多个LED驱动器会额外产生高频开关干扰，这会影响传导和辐射EMI干扰的测试结果。那么必然的结果就是在每个开关节点上使用RC吸收网络，输出端增加滤波器，DC/DC段使用同步整流等等，这样才能满足EMI的标准，这无疑会增加成本和降低可靠性。
发明内容
针对现有大功率LED光源存在成本高、可靠性差、电磁干扰大的缺陷，本发明提供一种低成本、高效率、可靠性高、电磁干扰低的用于大功率LED光源的驱动电路。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种用于大功率LED光源的驱动电路，包括PFC电路，还包括多串变压器LLC转换电路，所述的多串变压器LLC转换电路与PFC电路连接，用于对LED阵列的恒流驱动。新驱动电路和传统LED照明电源驱动电路相比有以下关键特征：
高效：因为只有PFC电路和LLC半桥，通过多串变压器LLC转换电路的具体设计，预估的系统效率会高于91%。
低成本：和传统方案相比，新方案只有两段，输出段不再有许多DC/DC转换器，元器件大幅降低，带来成本的下降。
高可靠性：由于LED照明系统可靠性一般由热管理、电气驱动、故障检测和系统保护以及元器件数量决定。新方案因为使用的元器件数量大幅下降，同时效率提高，系统可靠性会得到大幅提升。
良好的EMI性能：因为输出段不再有许多DC/DC转换器，这会大幅减低EMI的水平。同时，多串变压器LLC转换电路工作在ZVS（零电压）条件下，这会降低开关期间的噪音。
因而和传统LED驱动拓扑相比，新方案有助于降低元器件数量并提高效率、降低成本、具有较高的可靠性和良好的EMI性能，并可以缩小印刷电路板的大小。
作为优选，所述的多串变压器LLC转换电路包括隔离半桥、多个相同的隔离变压器，所述多个隔离变压器的原边串联并与半桥连接，每个隔离变压器的副边连接两组反并的LED串。基于磁平衡理论，如果变压器的原边电流因为是串联因而是相等的，那么每一个隔离变压器的输出电流亦即其所驱动的对应LED组的电流也必须是相等的。这样就可以使LED工作在恒流状态且亮度相同。
作为优选，所述的LED串还与PWM调光控制串联连接，所述的PWM调光控制检测LED串电流并反馈控制隔离变压器的原边电流。变压器的副边，每串的电流被相加，总电流作为反馈环的反馈量，这样方便用于PWM调光或者模拟调光，具有良好的调光兼容性。
作为优选，所述的隔离半桥包括两个相同的功率开关管，当开关管的工作频率等于隔离变压器副边串联谐振频率时，所述多串变压器LLC转换电路的输入输出电压为： 
，其中，n是初级次级匝数比，V DCBUS 是多串变压器LLC转换电路的输入电压，即PFC电路的输出电压，V LED 是LED串的电压，N T 是变压器的数目。可以依据输入输出电压来选择变压器的个数和初次级匝数比。
作为优选，隔离变压器原边电感量需要满足的条件为：
一种用于大功率LED光源的驱动电路，通过使用多串变压器LLC控制，对多个LED串进行恒流驱动，输出段不再有许多DC/DC转换器，大大减少了元器件的数量，同时也可以缩小印刷电路板的大小，具有低成本、高效率、高可靠性、良好的抗电磁干扰性等优点。
附图说明
图1为现有技术大功率LED驱动电源拓扑方案的结构示意图。
图2为本发明实施例电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合图2与具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种用于大功率LED光源的驱动电路，如附图2所示，包括PFC电路，还包括多串变压器LLC转换电路，所述的多串变压器LLC转换电路与PFC电路连接，用于对LED阵列的恒流驱动。
所述的多串变压器LLC转换电路包括由第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2组成的隔离半桥、2个相同的隔离变压器T1、T2，所述第一变压器T1、第二变压器T2原边串联后连接在隔离半桥的对角线两端，第一变压器T1的副边串联第八电容Cs1后，串联段的两端并联两组反相的LED发光二极管灯串LED1、LED2，第一LED灯串LED1、第二LED灯串LED2上分别串联与自身同方向的第七二极管D7、第九二极管D9，第一LED灯串 LED1、第二LED灯串LED2的两端还分别并联滤波电容：第三电容C3、第四电容C4，第八二极管D8、第十二极管D10作为蓄流二极管均并联在第一变压器T1副边与第八电容Cs1串联段的两端，所述第八二极管D8、第十二极管D10方向相反。
同样，第二变压器T2的副边串联第九电容Cs2，再并联两组反相的LED发光二极管灯串：第三LED灯串LED3、第四LED灯串LED4，第三LED灯串LED3、第四LED灯串LED4上分别串联与自身同方向的第十一二极管D11、第十三二极管D13，第三LED灯串 LED3、第四LED灯串LED4的两端还分别并联滤波电容：第五电容C5、第六电容C6，第十二二极管D12、第十四二极管D14作为蓄流二极管均并联在第二变压器T2副边与第九电容Cs2串联段的两端，所述第十二二极管D12、第十四二极管D14方向相反。
四个LED灯串LED1、LED2、LED3、LED4的参数相同、第八电容Cs1、第九电容Cs2参数相同、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第十三二极管D13、第十四二极管D14参数相同、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6参数相同。
交流电输入经过由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4组成的桥式全波整流后，经过PFC电路进行功率因素校正，PFC电路包括第一电感L1，第三开关管s3、第五二极管D5以及第七滤波电容C7，第一电感L1与第三开关管S3串联后连接在全波整流桥的输出两端，第五二极管D5与第七滤波电容C7串联后并联在第三开关管S3两端。第七滤波电容C7两端电压即为PFC电路的输出电压，PFC电路的输出电压设置在340V～410V，中心值为400V。
第一变压器T1副边电感Ls1与第八电容Cs1形成的谐振频率选取为略低于120千赫。第二变压器T2副边电感Ls2与第九电容Cs2形成的谐振频率与第一变压器T1同样选取。
第一开关管S1、第二开关管S2的工作频率设定在120千赫，略高于串联谐振频率，以实现良好的电源匹配。
T是指第一开关管S1、第二开关管S2的开关周期，此时T=1/120毫秒，t dead 指每个开关管的工作死区时长，此例中取50纳秒，C eq 是指开关管的栅极与源极之间的结电容大小，此例中为65皮法，通过
计算得到，Lm≤434uH。此例中第一变压器T1、第二变压器T2的原边电感Lm1、Lm2均采用400 uH。
如果整个LED光源的功率为100W，变压器设置为2个的情况下，将通过LED的电流恒定在1A，则每个LED串的电压设置为50V，通过
计算，等效匝数比为，每个变压器的初级次级匝数比设置为2。
经验证，本例中的设置能使LED灯串稳定工作在恒流状态，且大大节约了成本。
综上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (4)
1.一种用于大功率LED光源的驱动电路，包括PFC电路，其特征在于：还包括多串变压器LLC转换电路，所述的多串变压器LLC转换电路与PFC电路连接，用于对LED阵列的恒流驱动。
2.根据权利要求1所述的一种用于大功率LED光源的驱动电路，其特征在于：所述的多串变压器LLC转换电路包括隔离半桥、多个相同的隔离变压器，所述多个隔离变压器的原边串联并与半桥连接，每个隔离变压器的副边连接两组反并的LED串。
3. 根据权利要求2所述的一种用于大功率LED光源的驱动电路，其特征在于：所述的隔离半桥包括两个相同的功率开关管，当开关管的工作频率等于隔离变压器副边串联谐振频率时，所述多串变压器LLC转换电路的输入输出电压满足： 
，其中，n是初级次级匝数比，V DCBUS 是多串变压器LLC转换电路的输入电压，即PFC电路的输出电压，V LED 是LED串的电压，N T 是变压器的数目。
4.根据权利要求3所述的一种用于大功率LED光源的驱动电路，其特征在于：隔离变压器原边电感量满足的条件为：
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