基于“PFC+LLC+CV\CC”拓扑结构的HB-LED驱动电源设计

摘 要：为提高HB-LED驱动电源的效率和功率因数，设计了基于“PFC+LLC+CV、CC”拓扑结构的HB-LED（150W）驱动电源，即采用TM模式PFC控制器L6563H与高压谐振控制器L6599组成LLC半桥谐振电路，可实现在全电压范围及全负载条件下主功率管的零电压开关（ZVS）和整流二极管的零电流开关（ZCS）控制，并由LM358放大器与TL431组成恒压（CV）、恒流（CC）控制电路。功率因数达到97%，整机效率92%以上。

关键词： TM模式；PFC控制器；高压谐振控制器；LLC半桥谐振

中图分类号：TM571文献标识码：A

HB-LED Drive Power Design Based on "PFC+LLC+VC, CC" Topology Structures

LI Zi-jing, LI Wen-fang, CHEN Jia-yi, LI Hai-xia

(Electronic Information Engineering, Huanghe Science & Technology College, Zhengzhou Henan 450006, China)

Abstract: HB-LED (150W) Drive power based on "PFC+LLC+VC, CC" topology structures is designed, which use LLC half-bridge resonance circuit composed by TM mode PFC controller L6563H and High-pressure resonant controller L6599, realizing Zero voltage switching (ZVS) of main power tube and zero current switching of Rectifier diode under Full voltage range and full load condition, meanwhile, it use constant voltage (CV) and constant current (CC) circuit to improve efficiency and power factor of HB-LED drive power.

Keywords: TM mode; PFC controller; High-pressure resonant controller; LLC half-bridge resonance

引 言

目前，LED因其具有节能、环保、寿命长、光效高等优点，在照明领域得到广泛应用[1]，但却没有得到普及的关键难题有：

（1） 驱动电源效率不够高，功率因数还不理想；

（2） 价格偏高，驱动电路复杂，可靠性低。控制驱动电源不稳定是导致LED寿命降低的主要原因。

因此，LED驱动电路设计是推广普及LED亟待解决的问题[2]。

1拓扑结构的确定

HB-LED驱动电路的选择要既能满足较高功率因数和转换效率的需求，又能降低成本。本设计采取了“PFC+半桥LLC谐振+肖特级整流+恒流恒压”整机拓扑结构设计，如图1所示，交流输入电压范围为85～265V，频率为47～63Hz。采用意法半导体ST公司推出的一种过渡模式（TM）电流型PFC（Power Factor Correction）控制器L6563H和高压谐振控制器L6599提高功率因数和电源转换效率，有效解决了驱动电路技术难题。

1.1输入回路

输入电路主要考虑电磁干扰，电磁干扰属于射频干扰（RFI），传导噪声频谱大约为10～30MHz，最高达150MHz，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性（EMC）的要求，对串模干扰和共模干扰都有抑制作用，基本电路如图2所示。

C1、C2采用薄膜电容，容量范围为0.01～0.47μF/275V AC，主要抑制串模干扰。C3、C4中点接地，抑制共模干扰，容量为2,200PF～0.1μF/275V AC。电感L额定电流为1A，电感量为8～23mH，称为共模扼流圈，可以有效抑制共模干扰，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。

1.2PFC功率因数校正

由于桥式整流、电容滤波电路处理后电源输入端电流为不连续的尖峰脉冲，高次谐波丰富，谐波总含量大，为了减小对供电系统的污染，降低功率损耗，抑制输入电路的畸变，必须采取功率因数校正。

PFC功率因数校正部分采用ST公司的过渡模式电流型PFC控制器L6563H[3]。过渡模式是介于不连续导电模式（DCM）与连续导电模式（CCM）之间的一类PFC，适用于500W尤其是在250W以下。

图3所示为L6563H的引脚图，它是同类PFC控制器中最先进的一种，符合IEC61000-3-2规范的开关电流功率因数校正。其主要性能有：

（1） 除了含有标准TM-PFC控制器的基本电路外，还含有输入电压前馈（I/V2校正）、跟踪升压、遥控开关控制、DC-DC变换器、PWM控制、IC接口及保护电路等单元；

（2） 具有完善的保护功能，L6563H内部误差放大器设置静态OVP和动态OVP比较器，提供反馈失效保护（FFP），一旦FFP功能被触发，IC立即关闭；

（3） 为下游DC-DC变换器提供了接口，便于级联L6599配合应用。

1.3LLC半桥谐振功率变换电路

为了提高电流的转换效率，采用高频“软开关技术”[4]，通过在开关电路中引入缓冲电感和电容，利用LLC串并联谐振使得开关器件中的电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时使器件关断，当电压下降到零时使器件开通，即零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS），在开关过渡过程中减少开关的压力而使储存的电磁能量增大，有利于提高变换器的开关频率和效率。

LLC半桥谐振变换器选用ST公司生产的高压谐振控制器L6599[5]，图4所示为它的引脚图，它是适用于串联半桥拓扑设计的双终端控制芯片，可直接连接功率因数校正器，具有轻负载突发模式，可提高轻载时变换器的转换效率，设置两级过流保护OCP、欠压保护、过压保护OVP、过热保护OTP等。

LLC半桥谐振变换器电路原理如图5所示。

两个占空比为0.5的互补驱动开关管VT1、VT2构成半桥结构，谐振电感Lr和变压器的漏感Lm构成LLC谐振网络，变压器次级由整流二极管D3～D6构成全波整流电路。半桥LLC变换器有两个谐振频率，当变压器初级电压被输出电压箝位时，即次级负载映射期间，Lm不参加谐振，Lr和Cr产生的串联谐振频率为fr；当变压器不向次级传递能量时，即次级负载断开期间，Lm电压不被箝位，Lm、Lr、Cr共同参加谐振，构成谐振频率fm，所以

变换器工作在fm< fsim，能量通过变压器传递到副边；二是续流阶段，ir=im，原边停止向副边传递能量，Lr、Lm和Cr发生谐振，整个谐振回路感抗较大，变压器原边电流以相对较慢的速度下降。通过合理设计可以使变压器原边VT1和VT2 MOS管零电压开启，副边整流二极管在ir=im时电流降至零，实现零电流关断，降低开关损耗，所以变压器工作在fm< fs

1.4L358与TL431构成的恒压、恒流控制电路

由LM358放大器与精密电压调整器TL431构成恒压（CV）、恒流（CC）控制电路，如图6所示。

由LM358放大器和精密电压调整器TL431构成的恒压、恒流控制电路，变压绕组N2感应电压经D14、D15、C32、C33、C34组成电容滤波电路，输出直流电压+48V。

恒压电路工作原理：LM358为IC3（IC3内包括两个放大器IC3A、IC3B），IC3A、R49、R48、D17、R53、C37、R51、PC817组成电压控制环路。U5（TL431）是精密的电压调整器，阴极K与控制极直接短路构成精密的2.5V基准电压，R50是U5的限流电阻。2.5V基准电压由R52送到IC3A同相输入端3，而反相输入端2脚由R49、R48的分压比来设定。若输出电压上升，R48电压上升，该电压与同相输入端2.5V基准电压比较，1脚输出误差信号，再经过R53和D17变成电流信号，流入光耦LED中，进而经过R27通过反馈控制网络控制L6599 4脚，从而改变L6599 3脚上电容CF的放电频率，进而实现频率的改变。RFmin确定谐振器的最小工作频率，当输出电压小于等于额定电压时，变换器工作在固定的最小开关频率。

恒定电流工作原理：由IC3B、R47取样电阻、R54、U5、R57、C35、R59、R60组成电流控制环路。R47是输出电流取样电阻，输出电流在R47上产生（U=R47×Iout）的电压降。该直流电压直接接到IC3B反相输入端6，而2.5V基准电压则由R59、R60组成分压电路，再将分压电压送到同相输入端5，输出电压在R47上的电压与该分压电压进行比较。7脚输出误差信号，再经过R58和D16变成电流信号，改变光耦LED中的电流，进而通过反馈控制网络控制PWM输出占空比，使输出特性呈现恒流特性。R51、C37和R57、C35分别是IC1A、IC1B的相位补偿元件。

采用由放大器组成的恒压、恒流控制电路[6]，可实现很高的恒压与恒流程度，由于R47阻值比较小，对电路转换效率基本无影响。

2PFC+LLC+CV、CC拓扑结构的特点

（1） 较高功率因数和较小的THD总谐波失真

经试验测试，采用ST最先进的一种功率因数校正器L6563H，不但功率因数满足IEC规定要求，而且总谐波失真（THD）小于5%，具有电压前馈，可以补偿增益随AC线路电压变化，从而使PFC预调器输出不会产生过冲。

（2） 转换效率高

采用高压谐振器L6599组成的LLC半桥谐振电路，实现电流开关ZCS和零电压开关ZVS，有利于提高变换器的开关频率和效率。由于采用轻负载突发模式操作，降低在轻载或无负载下的平均频率和相关损耗。

（3） 较高的电压、电流稳定性和完美的保护功能，增加了驱动电源的可靠性。

采用LM358+CV+CC恒压、恒流控制回路，提高稳定性。采用L6599具有两级过流保护OCP、欠压保护UCVP、过热保护OTP、过压保护OVP，提高可靠性。

3结论

基于PFC+LLC+CV+CC构成的150W LED驱动电源电路原理，利用过渡模式TM-PFC控制器L6563H和高压谐振控制器L6599组成LLC半桥谐振，并由LM358放大器与精密电源TL431构成恒压、恒流电路，通过调试一台150W输出电压48V、电流3.125A的样机，实验测试结果显示，功率因数大于0.97，转换效率为0.90，总谐波失真（TDH）小于5%。电路集成度高，元件少，适合中小功率驱动电源电路。

参考文献

[1] 杨清德，康娅.LED工程及其应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2007.

[2] Yang qi, Wei bing. Wind and Solar Power System Design and Analysis of the Independent[J]. Shanxi Electric Power, 2009, (1): 23-25.

[3] 马存云，过渡模式（TM）PFC控制器L6563及其应用电路[J]. 电子元器件应用，2007，9（1）：4-7.

[4] 张振银，秦会斌等. 基于LLC的半桥谐振变换器设计[J]. 电子器件，2010，33（5）：587-590.

[5] 沈萍. 基于L6599的串并联谐振变换器的设计[J]. 电源技术应用，2010，13（6）：17-22.

[6] 曲学基，王增福，曲敬凯. 稳定电源电路设计手册[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

作者简介：李姿景（1980-），女，河南省封丘县人，毕业于郑州大学，硕士研究生，现就职于黄河科技学院，研究方向为电子技术，E-mail：。