多路輸出均流LED驅動電源研究

林麗薌

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

多路輸出均流LED驅動電源研究

林麗薌

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

針對大功率LED應用場合下需要多路輸出及各路電流均衡的問題，本文提出一種基于電容均流的多路輸出均流的LED驅動電路拓撲。詳細分析了四路輸出均流原理，并進行了等效電路的推導，在CLCL-T諧振恒流網絡的基礎上實現多路輸出電流的恒定與均衡；最后設計一臺108W的實驗樣機，實驗結果驗證了所提電路具有良好的均流精度。

均流；LED驅動；恒流

為了達到所需要的輸出功率等級，LED串通常采用串并聯結構，由于LED導通壓降的離散性和負溫度系數的特性，串并聯結構的LED串必須采用合適的均流措施才能保證各路LED串的電流達到均衡[1-2]。多路LED均流方法大致可分為有源均流和無源均流，其中無源均流方法以電路結構簡單、成本低、效率高的優點被廣泛應用。無源均流方案就是利用電容、變壓器（耦合電感）、磁放大器等無源器件來實現多路輸出均流，但其均流精度與無源元件有關，容易受到其參數的影響而降低均流精度[3-4]。因此，研究高效精確的均流方法對于LED驅動乃至LED照明的發展有著至關重要的作用。

1 多路輸出均流電路結構

圖1所示為2n路輸出均流LED驅動電路的原理圖，由電壓型半橋逆變電路、CLCL-T諧振恒流網絡、2n路輸出均流電路、整流網絡等組成。電壓型半橋逆變電路由開關管S1、S2組成，將直流輸入電壓變換成方波信號；CLCL-T諧振恒流網絡工作在特定頻率時具有恒流特性，輸出電流恒定；2n路輸出均流電路利用電容的充放電平衡實現多路無源精確均流：其中，Cbn均衡n組內Vn1、Vn2支路的輸出電流，Cb(2n-1)均衡(n-1)組內V(n-1)2和n組內Vn1支路的輸出電流。

等效電路推導，采用基波分析法對圖1電路進行分析，即假設原邊電流只有基波分量向副邊傳送能量，忽略其他諧波分量的作用。由此得到的交流等效電路如圖2所示。

當Cb(n+1)＞＞Cbn時，基于CLCL-T諧振恒流網絡的多路輸出均流電路的交流等效電路如圖2（a）所示。

式中，Vin為諧振回路輸入電壓基波分量的有效值，Rac1、Rac2為LED的交流等效負載，Ro為每路LED的直流等效負載。

圖1 2n路輸出均流LED驅動電路原理圖

圖2 CLCL-T諧振變換器交流等效電路

因為Cb1=Cb2=…=Cbn=Cb，Rac1=Rac2=…=Racn=Rac，假設變壓器勵磁電感無窮大，則可得簡化的CLCL-T諧振網絡的交流等效電路，如圖2（b）所示。其中

式中，N為變壓器原副邊匝數之比。

從圖2（b）可得諧振網絡的輸出電流有效值，其表達式為

圖3 不同負載下的諧振網絡輸出電流

2 四路輸出均流原理

CLCL-T諧振恒流網絡在變壓器副邊繞組上產生一個正向電壓和反向電壓交替的電壓波形。假設在ta～tb時間里，副邊繞組輸出的電壓是正向電壓，如圖4（a）所示，1組中電流的流通途徑為Cb1、D11、V11，再流回變壓器副邊繞組，電流i1給Cb1充電；2組中電流的流通途徑為Cb2、D21、V21、Cb3，再流回變壓器副邊繞組，電流i2給Cb2、Cb3充電。故

tb～tc時間里，副邊繞組輸出的電壓是反向電壓，如圖4（b）所示，1組中電流的流通途徑為Cb3、V12、D12、Cb1，再流回變壓器副邊繞組，電流i1′給Cb1、Cb3放電；2組中電流的流通途徑為V22、D22、Cb2，再流回變壓器副邊繞組，電流i2′給Cb2放電。故

圖4 四路均流等效電路

而每一路的輸出電流為

因為穩態時電容在一個周期內充放電平衡，即

由式（1）至式（4）可得

3 實驗驗證

為驗證所提電路的均流效果，搭建了如圖1所示的4路輸出均流實驗樣機（n=2）。主要參數如下：直流輸入電壓Vdc=400V，額定輸出電流：I11=I12=I21= I22=0.5A，諧振變換器工作頻率fs=100kHz，諧振電容Cr=20nF，Cs=6.8nF，諧振電感Lr=129μH，Ls= 240μH，均流電容Cb1=Cb2=0.1μF，Cb3=1μF。實驗結果如圖5所示。

圖5（a）、圖5（b）是輸出電壓分別為54V、18V時的輸出電流波形，可以看出LED負載變化，即輸出電壓變化時，每路輸出電流基本不變，可見該電路可以實現不同燈電壓下輸出電流的恒定與均衡。

表1為負載不均衡時對應的各支路輸出電流。可以看出，負載不均衡度不同時對應的均流誤差也不同，但均小于0.5%，可見所提方案具有良好的均流精度。

圖5 不同輸出電壓下的輸出電流波形

表1 輸出電壓不同時各支路的輸出電流

4 結論

本文提出一種基于CLCL-T諧振網絡的多路輸出均流電路拓撲，分析了四路輸出均流的原理及其交流等效電路圖，最后用實驗驗證了所提電路具有良好的均流精度。

[1] Shih-Chang H, Ming-Hwa S, Sheng-Yueh L. Chip implementation of high-efficient LED dimming driver for high-power light-emitting-diode lighting system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 8(6): 1043-1051.

[2] 趙融融. 多路LED驅動電流控制及均衡技術[D]. 杭州: 浙江大學, 2015.

[3] Sang-Ho Cho, Sang-Hyun Lee, Sung-Soo Hong, et al. High-Accuracy and Cost-Effective Current-Balanced Multichannel LED Backlight Driver using Single-Transformer[C]//IEEE Proc. ECCE, 2011, 520-527.

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Research on the LED Driver with Multi-output Current Sharing

Lin Lixiang
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

As for the needs of multi-outputwith current balancing in high-power LED applications, the paper proposes a LED driver with multi-output current sharing based on capacitance. Analyzing in detailthe principle of 4-output current balancing, and deducing the equivalent circuit of the resonant network. Keeping the multi-output current constant and balanced based on the CLCL-T resonant network. Finally, a 108W laboratory prototype has been built. The experimental results confirm that the topology presented has good characteristic of current balancing.

current balancing; LED driver; constant current

林麗薌（1991-），女，福建省漳州市人，碩士研究生，研究方向為電能的高頻變換與控制技術。