基于多串变压器LLC控制的LED驱动电路设计

陆朱卫，黄其新

（三江学院，江苏 南京 210012）

基于多串变压器LLC控制的LED驱动电路设计

陆朱卫，黄其新

（三江学院，江苏 南京 210012）

和高压钠灯、节能灯等传统灯具相比，大功率LED照明系统更加节能、环保，且具有更长的寿命，在室外照明和其他高功率场合具有很大的潜力。传统的大功率LED照明驱动电路由AC/DC变换器和多个恒流DC/DC变换器构成。为了提高效率和可靠性，文章提出一种适合于大功率LED照明驱动的新型多串变压器LLC谐振变换器，该变换器基于磁平衡技术驱动多串LED负载，以UCC25710作为控制芯片制作了一款100 W的LED驱动电路。实验结果表明该电路结构简单、工作可靠、具有更高的效率。

多串变压器；LLC谐振变换器；LED驱动电路；磁平衡技术

LED技术作为一种有潜力的照明技术，正逐步取代低效能白炽灯和荧光灯。在日常LED照明应用中，大功率LED照明系统与高压钠灯和节能灯这类传统灯具相比更加节能、环保，且具有更长的使用寿命。

为保证每个LED具有相同的亮度，应为驱动系统提供恒定电流。通常对额定功率超过65 W的系统，LED矩阵中将会包含多串并联的LED负载，每串负载都应由恒定电流源控制并且流经每串负载的电流应相同，以确保相同的系统亮度[1-2]。

本设计提出一种适合于大功率LED照明驱动的新型多串变压器LLC谐振变换器，通过该拓扑结构，采用磁平衡技术驱动多串LED负载，能使系统具有高效率和高可靠性。

1 传统的大功率LED照明驱动电路

传统的大功率LED照明系统结构如图1所示，由PFC、隔离DC/DC变换以及非隔离式DC-DC变换3部分组成。其中PFC电路通常采用Boost升压电路结构，用于提供正弦输入电流,PFC电路的输出电压将会高于输入电压的峰值,所以通常选择直流380～400V作为输出电压。由于PFC的输出电压高而且是非隔离式，所以需要采用具有隔离变压器的DC/DC变换电路，通常采用半桥式LLC谐振变换器，具有较高的效率和良好的抗干扰性[3-5]。

由于传统结构为三级电路拓扑结构，具有多个DC/DC电路环节，需要采用多个控制器、电感器和电容器。在成本、可靠性、效率上不具备优势，该电路的最大效率大约为88%。

2 新型大功率LED照明驱动电路

针对传统拓扑结构中的问题，本文采用多串变压器设计一款新型LED驱动电路。电路结构如图2所示，包含有PFC和多串隔离变压器LLC变换器的两级电路结构，省掉了传统结构的DC-DC多串恒流部分[6]。LLC变换器之后串联多个变压器，构成半桥式隔离型多串LLC谐振变换器，由于变压器串联，其一次绕组的电流相等，根据磁平衡理论，各个变压器的二次绕组电流也相等。所以各个隔离式变压器都具有相同的输出电流用于驱动每串LED负载，每个变压器连接两串独立的LED负载，这样在电流的正负半周都有一串LED负载导通，电流正负对称，所以两串LED负载具有相同的电流。

图1 传统大功率LED照明系统结构

图2 新型LED驱动电路

与传统的大功率LED照明驱动电路相比，新型电路结构具有高效率、低成本、高可靠性、兼容调光等优点。

3 新型多串变压器LLC谐振控制器

UCC25710是基于LLC谐振半桥式拓扑结构开发的控制器，它包括了实现LED驱动的所有必要功能，包括了电流环路误差放大器，电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO），参考调节器，软启动，调光负载循环补偿和为LED输出过压，LED 输出欠压、过温及原边过流等保护措施。在调光期间它还可以最大限度地减少音频噪声。

UCC25710结构如图3所示，其反馈回路利用总电流采样电阻来调整LED串负载的总电流。LED串负载总电流会被R3到CS引脚检测到，电流环路误差放大器用来调节LED输出总电流实现恒流，将电流放大器Icomp的输出设置为VCO的控制电压，这样为LED串的LLC拓扑结构配置一个闭环电流反馈回路。

图3 新型LED驱动电路

多串变压器LLC谐振控制器放置在次级侧，它能监测LED负载的总电流并使用电流反馈回路调整。流经变压器原边绕组的正弦波交流电流，同时通过磁平衡理论保证每串LED 负载具有恒定电流输出。

4 LLC多串变压器设计

多串变压器的设计符合磁平衡理论。如图4（a）所示，多串变压器的初级线圈串联连接。在理想情况下，假如变压器线圈匝数相同，那么相同的初级绕组电流将会产生相同的次级绕组电流。

变压器并非理想的电气元件，由于它自带励磁电感，导致LED串负载输出的二次绕组电流略有不同。但是励磁电流仅占初级绕组电流的一小部分，并且对于励磁电流的差异，电流匹配并不敏感。为了获得完美的电流匹配，在多串变压器LLC设计中增加了磁化电感Lm，如图4（b）所示。

图4 多串变压器结构

为了简化电路，拓扑结构使用一个变压器来驱动两串LED负载，如图5所示。同一个变压器中，当初级绕组的正弦交流电正向流动，次级绕组的电流沿相同的耦合方向流动。另一方面，当初级绕组的正弦交流电反向流动时，次级绕组一侧其他电流回路受到开关循环的控制，如图5所示。在输出端的直流阻塞电容保证正向电流和负向电流在每个开关循环均相同。

图5 变压器驱动LED电路结构

多串变压器LLC变压器结构设计和传统的LLC转换器设计类似。为了使用传统的LLC转换器设计步骤，就要把多个变压器和反映负载合并为一个等价的变压器负载。那么，只要确定等价变压器的谐振电感Ls和励磁电感Lm就可以得到每个变压器的参数。当工作频率等于串联谐振频率时，多串LLC转换器的输入和输出电压可表示为：

式中，n是初级绕组和次级绕组的匝数比；VDC是LLC转换器的输入电压，通常这个值等于PFC升压转换器的输出值；VLED是LED串负载的电压，NT是变压器个数。

5 实验结果

根据文中设计本设计开发了一款100 W LED驱动电路，该电路具有4串LED输出，每串可接10～20 LED负载。由于变压器初级绕组串联的磁平衡，所以多串变压器LLC转换器具有良好的电流匹配性能。

表1说明了电流随输入电压的变化，从表中可以看出在不同电压下，LED驱动电路的电流基本保持不变，而且每串LED负载的电流保持平衡。

表1 不同电压下的电流值

续表1

不同输入电压对应的效率如表2所示，从中可以看出最高效率达91.1%，该效率比传统的LED电路高出3%左右，表现出优良的性能。

表2 不同电压下的效率

6 结语

针对传统大功率LED驱动电路中存在的成本、可靠性、效率等方面的不足，本文设计了基于多串变压器LLC控制的LED驱动电路。该电路省掉了传统结构的DC-DC多串恒流部分，在PFC电路之后有一个半桥式隔离型多串LLC谐振变换器，该变压器的初级绕组以串联方式连接，每个变压器能够驱动两串独立的LED负载。实验结果表明该电路不仅结构简单、工作可靠，而且具有良好的电流匹配性能，最大效率可达91%，具有很好的应用价值。

[1]张昌钱.一种高效大功率LED驱动电路的设计[D].长沙：中南大学，2013.

[2]倪新龙.新型大功率LED照明驱动电源的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2013.

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[4]张晶晶，张涛，郑奇，等.大功率LED在线性及PWM调光下的电光转换效率及热分析[J].光电子·激光，2013（1）：50-55.

[5]陆朱卫，杨正理.基于DSP的精密电流源设计[J].电源技术，2012（6）：873-875.

[6]佚名.TI新型两级拓扑结构低成本LED驱动方案[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

陆朱卫（1984— ），男，江苏启东，硕士，讲师；研究方向：电力电子与电力传动。