一種高轉換效率高功率因素的大功率LED電源研究

章正偉，池學智

浙江交通職業技術學院 機電學院，浙江 杭州 311112

0 引言

LED照明與其他照明相比具有以下優點：1）發光效率高，耗能少，而且光的單色性好、光譜窄；2）使用壽命長，LED的使用壽命可以長達近十萬小時；3）安全環保；4）啟動時間短；5）體積小。

大量的LED路燈需要配套相應的驅動電源，因此研制高效率高功率因數的LED驅動電源也具有龐大的需求和廣闊的市場前景。

本文根據杭州某家照明燈具廠商的要求，開發研制一種適用于80W～150W的 LED照明燈具的驅動電源，要求有較高電源輸入輸出轉換效率和較高的電源功率因數，可靠性高、符合IEC-61000標準。

1 主電路拓撲結構選擇

當采用開關電源拓撲結構時，必須滿足IEC61000-3-2等標準關于D類設備電流諧波限制性規定，同時還必須符合對C類（照明）設備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規范對功率因數（PF）不能低于0.9的要求。為達此目的，LED路燈電源必須采用功率因數校正（PFC），同時還要求采用支持相應功率的電源拓撲結構。

目前AC/DC恒流源驅動IC正從反激式拓撲結構轉向高效率諧振半橋（LLC）+PFC拓撲結構，以充分發揮零電壓開關拓撲結構（ZVS）的優勢，和滿足LED燈具對PFC（功率因素較正）日益提高的要求，并要求能提高效率＞90%。寬電壓輸入、短路和過功率保護、開路保護、較低的總諧波失真（THD）是基本的要求。

傳統功率因數校正電路技術復雜、設計步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設計時往往要在性能和成本之間進行折衷。

BOOST采用主動式有源功率因數校正（APFC）電路，工作在連續模式，諧波電流和開關管電壓電流應力小。DC/DC采用半橋LLC串聯諧振轉換器，元器件數量有限，諧振儲能（tank）元件能夠集成到單個變壓器中，因此只需要1個磁性元件。在所有正常負載條件下，初級開關都可以工作在零電壓開關（ZVS）條件，而次級二極管可以采用零電流開關（ZCS）工作，沒有反向恢復損耗。特別適用于中、高輸出電壓轉換器的高性價比、高能效和性能優異的解決方案。

因此，主電路采用FPC（采用CCM方式）+LLC二級拓撲結構。由于PLC810PG同時集成了CCM方式PFC和LLC控制器，特別適合本系統方案設計的需求。

2 基于PLC810PG的大功率LED電源電路設計

基于PLC810PG的大功率LED電源電路圖如圖1所示。

LED驅動電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉換器等幾個主要部分。

圖1 電源電路圖

輸入電路部分主要由輸入濾波器、橋式整流器（BR1）等組成，C1～C6和 L1、L2及R1～R3組成 EMI濾波器。C1和C5連接在相線L和中線N之間，用于保護地（E），同時用于控制高頻（＞30MHz）噪聲。C3和C4提供差模EMI濾波。共模電感器L1、L2控制低頻和中頻（＜10MHz）EMI，C2和C6控制中頻區中的諧振峰值。當交流（AC）電源切斷時，R1、R2和R3為EMI電容放電提供通路，以滿足安全要求。

F1是保險絲，起短路保護作用。RV1用作過電壓保護。RT1是NTC熱敏電阻，在電路啟動期間限制浪涌電流。當電路啟動之后進入正常操作時，繼電器動作，將熱敏電阻短路，由于RT1沒有電流通過，使電路效率至少能提高1%。

PFC升壓變換器主電路由L4、升壓二極管D2、PFC開關Q2、輸出電容C9、C11等組成。在AC輸入電壓范圍為140～265V時，PFC輸出直流（DC）升壓電壓（VB+）穩定在385V，并且在橋式整流器BR1輸入端產生正弦電流，使系統呈現純電阻性的負載，線路功率因數接近于1。

PLC810PG的PFC部分采用無需正弦信號輸入參考的通用輸入連續電流模式(CCM)設計，從而減少了系統成本和外部元件。

Q1和Q3等組成Q2的緩沖級。Q2柵極和漏極分別串接了鐵氧體磁珠，可以改善EMI。

PFC緩沖級Q1選用60V、1A、采用SOT-23封裝的FMMT491TA型NPN晶體管。 Q3選用60V、1A、采用SOT-23封裝的FMMT591TA型PNP晶體管。偏置電源中Q26、Q17選用40V、0.2A、采用SOT-23封裝的NPN型小信號晶體管MMBT3904LT1G。

PFC開關Q2選用STW 20NM50FD，500V，20A，導通電阻0.22Ω，采用TO-247AC封裝。

R6和R8是PFC級電流傳感電阻。連接在R6和R8上的二極管D3和D4，在浪涌期間箝位（箝位電壓為D3和D4的正向壓降，約0.7V×2=1.4V），R6和R8上的電壓以保護U1（PLC810PG）的電流感測輸入。

在系統加電時，對C9的充電電流通過二極管D1，而沒有浪涌電流通過L4，這就避免了L4出現飽和的可能性。PFC級輸入小電容C7用作旁路高頻成分，C7選擇低損耗丙乙烯電容器。電容C11用作減小Q2、D2和C9等高頻環路元件的EMI。

LLC諧振轉換器由LLC輸入級與LLC輸出級組成。Q10和Q11是LLC轉換器的半橋高/低端MOSFET，它們由U1經電阻R56和R58直接驅動。C39是變壓器T1初級諧振電容，它與T1初級形成諧振槽路。由于諧振電感器已結合進T1初級繞組線圈中，這種電路仍被稱為LLC諧振槽路，而不將其稱作LC諧振槽路。電容C40被安置到鄰近的Q10和Q11，用于旁路。

半橋開關Q10和Q11選用IRFIB7N50LPBF型N溝道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC封裝。

變壓器T1次級輸出經D9和C37、C38整流濾波提供48V的輸出，為LED路燈供電。T1次級串接的鐵氧體磁珠，用作抑制高頻噪聲。

PLC810PG中DC-DC控制器驅動LLC諧振，這個變頻控制器可使MOSFET在零電壓時進行開關操作，從而消除大部分的開關損耗，提高效率。LLC控制器的核心是一個電流控制的振蕩器，其頻率控制范圍支持電視機電源的傳統工作頻率。

為了確保零電壓開關，PLC810PG中LLC開關的死區時間被嚴格控制在容差范圍之內，并可通過一個外部電阻進行調節。高低壓兩端的占空比緊密匹配，以提供平衡的輸出電流，從而降低輸出二極管的成本。

3 LED驅動電源測試結果

通過在實驗室對樣品線路板連接LED燈模組進行測試，測試結果為：在滿載時，PFC級效率PFC＞ 95%，LLC級效率 LLC＞95%，系統總效率total＞92%（AC200-265VAC）。由于LED路燈電源帶有功率因數校正，在140VAC～220VAC 范圍內，PF≥0.98，LED路燈電源傳導EMI符合CISPR22B/EN55022B規范要求，安全性滿足IEC950/UL1950 II類要求。

[1]馮瑋.白光LED驅動技術.現代顯示，2008，1：39-42.

[2]PLC810PG 芯片技術手冊（PLC810PG s datasheet）.