一種高轉(zhuǎn)換效率高功率因素的大功率LED電源研究

章正偉，池學(xué)智

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，浙江 杭州 311112

0 引言

LED照明與其他照明相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)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(dá)近十萬小時(shí)；3）安全環(huán)保；4）啟動(dòng)時(shí)間短；5）體積小。

大量的LED路燈需要配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源，因此研制高效率高功率因數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電源也具有龐大的需求和廣闊的市場前景。

本文根據(jù)杭州某家照明燈具廠商的要求，開發(fā)研制一種適用于80W～150W的 LED照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源，要求有較高電源輸入輸出轉(zhuǎn)換效率和較高的電源功率因數(shù)，可靠性高、符合IEC-61000標(biāo)準(zhǔn)。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

當(dāng)采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，必須滿足IEC61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于D類設(shè)備電流諧波限制性規(guī)定，同時(shí)還必須符合對C類（照明）設(shè)備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規(guī)范對功率因數(shù)（PF）不能低于0.9的要求。為達(dá)此目的，LED路燈電源必須采用功率因數(shù)校正（PFC），同時(shí)還要求采用支持相應(yīng)功率的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目前AC/DC恒流源驅(qū)動(dòng)IC正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋（LLC）+PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮零電壓開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（ZVS）的優(yōu)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(hù)、開路保護(hù)、較低的總諧波失真（THD）是基本的要求。

傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。

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

因此，主電路采用FPC（采用CCM方式）+LLC二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于PLC810PG同時(shí)集成了CCM方式PFC和LLC控制器，特別適合本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的需求。

2 基于PLC810PG的大功率LED電源電路設(shè)計(jì)

基于PLC810PG的大功率LED電源電路圖如圖1所示。

LED驅(qū)動(dòng)電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)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(hù)地（E），同時(shí)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(qū)中的諧振峰值。當(dāng)交流（AC）電源切斷時(shí)，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(xiǎn)絲，起短路保護(hù)作用。RV1用作過電壓保護(hù)。RT1是NTC熱敏電阻，在電路啟動(dòng)期間限制浪涌電流。當(dāng)電路啟動(dòng)之后進(jìn)入正常操作時(shí)，繼電器動(dòng)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(guān)Q2、輸出電容C9、C11等組成。在AC輸入電壓范圍為140～265V時(shí)，PFC輸出直流（DC）升壓電壓（VB+）穩(wěn)定在385V，并且在橋式整流器BR1輸入端產(chǎn)生正弦電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性的負(fù)載，線路功率因數(shù)接近于1。

PLC810PG的PFC部分采用無需正弦信號輸入?yún)⒖嫉耐ㄓ幂斎脒B續(xù)電流模式(CCM)設(shè)計(jì)，從而減少了系統(tǒng)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(guān)Q2選用STW 20NM50FD，500V，20A，導(dǎo)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(hù)U1（PLC810PG）的電流感測輸入。

在系統(tǒng)加電時(shí)，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(xiàn)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(huán)路元件的EMI。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器由LLC輸入級與LLC輸出級組成。Q10和Q11是LLC轉(zhuǎn)換器的半橋高/低端MOSFET，它們由U1經(jīng)電阻R56和R58直接驅(qū)動(dòng)。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(jié)合進(jìn)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(guān)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(jīng)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(qū)動(dòng)LLC諧振，這個(gè)變頻控制器可使MOSFET在零電壓時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作，從而消除大部分的開關(guān)損耗，提高效率。LLC控制器的核心是一個(gè)電流控制的振蕩器，其頻率控制范圍支持電視機(jī)電源的傳統(tǒng)工作頻率。

為了確保零電壓開關(guān)，PLC810PG中LLC開關(guān)的死區(qū)時(shí)間被嚴(yán)格控制在容差范圍之內(nèi)，并可通過一個(gè)外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(qū)動(dòng)電源測試結(jié)果

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

[1]馮瑋.白光LED驅(qū)動(dòng)技術(shù).現(xiàn)代顯示，2008，1：39-42.

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