一種大功率LED照明電源的應用研究

梁奇峰，廖鴻飛，何薇薇

（中山火炬職業技術學院，中山 528436）

一種大功率LED照明電源的應用研究

梁奇峰，廖鴻飛，何薇薇

（中山火炬職業技術學院，中山 528436）

0 引言

全球能源緊張，環境惡化，節能減排成為全球主旋律, 照明節能刻不容緩。LED由于節能，環保等進入照明市場，尤其是道路照明[1]具有巨大的潛力和發展前景。LED工作時需要恒流驅動，如果驅動電源精度不高，性能不穩定將導致LED燈光衰，失效，損壞。目前LED燈具故障80%源于驅動電源的可靠性問題，尤其是在大功率LED照明電源中顯得更為突出，照明電源也會引起電磁干擾、功率因數低及效率低等問題。

大功率LED照明電源（輸出功率在90W以上）通常采用兩級電路結構—PFC和DC-DC變換器。PFC電路一般工作于臨界導電模式。然而，要求儲能電容的容值較大，電感的峰值電流很大，對功率器件的要求很高，并且EMI濾波器尺寸大；在輕載時，功率因數不高。DC-DC變換器通常采用反激、正激和半橋變換器。對于反激變換器而言，電路拓撲結構簡單，適合用于多路輸出的場合，變壓器漏感需要吸收電路，效率不高，反激變壓器的工作方式決定了反激變換器只能用在功率輸出小于100W的場合；對于正激變換器而言，需要增加磁復位電路，增加了電路的復雜性，并且變壓器的利用率不高，功率MOS管工作于硬開關狀態，損耗很大，整個電路的工作效率不高。對于半橋變換器，目前主要采用LLC諧振技術，使MOS管工作于軟開關狀態，并且副邊整流不需要濾波電感，適當提高了整體電路的效率。

本文采用PFC+半橋LLC諧振和輸出恒壓/恒流電路結構來驅動大功率LED，基于PLC810PG控制芯片，設計并制作了一臺輸出150W的照明電源，實驗結果表明，此電路方案有效的改善了功率因數和效率，提高了照明電源的可靠性。另外，PFC和LLC控制器集成在一個芯片中，減少外部元件，從而節約了照明電源的成本。

1 采用PLC810PG控制的150W照明電源

基于PLC810PG控制的150W照明電源如圖1所示。輸入EMI整流、PFC功率級和輔助電源如圖1(a)所示，L3、Q3、D2、C11和C9組成boost變換器，即功率因數校正的功率電路，Q1、Q2、和R7組成互補三極管驅動電路，R8和R6用于檢測輸入電流，輸入到控制芯片的ISP引腳，D3和D4的作用是對電流檢測電阻R6和R8進行箝位，在浪涌期間為控制器IC提供電流檢測輸入保護。L3的輔助繞組Na、D12、D10、C6、C8、R11、R16、Q5、VR3、和C12組成輔助電源，給控制芯片提供正常工作電壓，R17、R20、Q7、VR2、R10和D11組成啟動電源，給芯片提供啟動電壓。電路進入正常工作之后，關斷Q7。

PFC和半橋LLC的控制電路如圖1(b)所示。PFC的輸出電壓經R39-41和R50反饋到FBP引腳，即誤差放大器的同相輸入端，其反相端是一個2.2V的基準電壓。一個10nF的電容（C25）用于濾波噪音。R48、C28、C26為PFC電壓誤差放大器的補償網絡，R45和C24對來自ISP端電流檢測信號進行濾波。PFC驅動信號經由電阻R44送到開關管Q3，這樣可抑制PFC驅動信號中由PLC810PG和PFC柵極驅動電路之間的走線長度而引起的振蕩。Q8、Q9、變壓器T1和諧振電容C39組成半橋LLC變換器，變壓器T1有一個內在的大容量漏感Lr，與C39共同作用，形成串聯諧振回路。電阻R59檢測半橋LLC變換器的初級電流以提供過載保護。C23、R42和D8為LLC高端MOSFET驅動器提供自舉電源，半橋LLC變換器的輸出檢測誤差放大器電路的反饋由光耦U7和恒流恒壓芯片U5提供。電阻R54是光耦器負載。二極管D16允許光耦器僅上拉LLC反饋引腳（FBL），此引腳是穩壓反饋引腳，在正常工作條件下吸收電流，通過光耦器U7來調節流入其電流。光耦器U7B通過電阻R54、R53、R51、R49和C27組成的電阻網絡連接到FBL引腳。C27僅在軟啟動期間有作用，C36是濾波電容，可以降低光耦器長走線產生的噪音。（R51+R49）的值可設定FBL引腳最小電流并隨之設定LLC的最小頻率fmin（在光耦器關斷的情況下），FBL引腳的最大電流（由R53、R51、R49設定）控制LLC最大頻率fmax（在光耦器完全飽和時）。

本文設計的副邊檢測、反饋電路使用含雙運放和基準電壓芯片TSM103W及光耦器U7A進行輸出穩壓和穩流，電路如圖1(c)所示。

圖1 基于PLC810PG的150W照明電源電路

輸出電壓通過R66、R21、R58分壓之后，經過芯片內部形成基準電壓，作為恒流和恒壓的基準，通過R70和R71采樣輸出電流，經過由R68和C13組成的低通濾波器輸入到U5的引腳6，與引腳5的基準電壓進行比較去控制光耦器U7的導通情況，從而達到恒流的目的。LLC變換器輸出48V通過電阻R73和R74進行檢測。電阻R62為主增益設定電阻，R67和C47為電壓環路補償元件。

2 電路主要元件參數的設計

本款輸出150W照明電源應用于驅動大功率LED，電源設計參數如表1所示。

表1 電源設計參數

2.1 PFC電路功率器件的選擇

根據上述電路工作原理的分析，PFC工作在連續導電模式，boost PFC電感L3、開關管Q3及升壓二極管D2可根據公式（1）～（7）來確定。

輸入峰值電流：

PFC電感上的最大紋波電流：

最大占空比Dmax：

PFC電感值L3：

通過升壓二極管D2的平均電流值：

通過開關管Q3的平均電流值：

PFC輸出電壓紋波(VBulk_ripple)的頻率為兩倍的交流輸入頻率，即2×fL，其幅值由PFC輸出電流和輸出濾波電容C9來決定，滿足下列關系式：

將表1中的參數代入式（1）～（7），可以求出升壓電感L3為1.5mH。分別選擇SPP11N60C3（650V/11A）的開關管Q3、STTH506B（600V/5A）的二極管D2、120μF/450V的輸出濾

波電容C9。根據選擇磁芯的方法AP法，選取升壓電感磁芯型號為TDK公司的PQ32/20。

2.2 PFC控制電路的設計

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個引腳（除接地端外），是目前引腳最少的CCM PFC控制器，包括輸入電流檢測引腳3(ISP)、輸出PWM波引腳6(GATEP)、輸出電壓檢測引腳23(FBP)、電壓環誤差放大輸出引腳1(VCOMP)。

電感電流通過檢測電阻R6和R8，輸入到ISP引腳，平均電感電流（經過數個開關周期測得）用于PFC控制算法，該引腳也執行逐脈沖電流限制功能，提供過流保護。PFC其他控制電路的作用在第1節已分析過了。下面主要分析電壓環路參數的設計，電壓環路如圖2所示。

圖2 PFC電壓環路

須考慮到輸出電壓中包含著頻率為2倍交流輸入頻率的紋波。因而所設計的補償電路頻率響應的帶寬應遠小于100 Hz，用以抑制100 Hz左右的紋波，一般情況，電壓環的穿越頻率在10～20Hz。

引腳1外接電壓環補償電路中的誤差放大器是一種跨導型的放大器。誤差放大器的傳遞函數：

式中，s=jω，GM是OTA的跨導，其典型值為85μA/V。

按照工程上的應用C26>>C28，要滿足電壓環的穿越頻率在10～20Hz，通常取fCZ≈7Hz。根據工程經驗和計算，得R48=2.2kΩ，C26=10μF，C28=22nF。

2.3 LLC諧振回路的設計

LLC諧振變換器的交流等效電路[6]如圖3所示。Rac為實際負載RL折射到原邊的等效電阻，即：

式中，n為原邊和副邊一半的匝數比。電路中有兩個諧振頻率：并聯諧振頻率fp和串聯諧振頻率fr，其表達式分別為：

令Lp=Lr+Lm，m=Lp/Lr，在典型LLC諧振變換器中m值介于3和7之間[2]。

串聯諧振回路的品質因數Q：

圖3 LLC諧振變換器的交流等效電路

由圖3可知，電壓增益M[2]：

式中，VRLF是副邊整流電壓傅立葉級數分解的基波分量，VdF是諧振變換器輸入電壓傅立葉級數分解的基波分量。

當變換器工作頻率等于串聯諧振頻率fr時，電壓增益M為1，則n=4。令fr=100KHz，fp=55KHz，m=5時，在不同品質因數下LLC諧振變換器的增益曲線如圖4所示。

圖4 LLC諧振變換器的增益曲線

由圖4可知，在串聯諧振頻率fr附近，當負載變化時，也就是Q變化時，增益M隨頻率變化較小，實際設計中的LLC諧振變換器應工作在此區域。在典型LLC設計中，滿載時Q值大約為0.4～0.5[2]。諧振參數Lr、Lp和Cr求解如下：

諧振電感Lr和LP根據變壓器的設計適當調整。

2.4 LLC變壓器設計

根據上述諧振回路參數的設計，變壓器的初步參數如下：n=4，Lm=Lp-Lr=458.2μH，Lr=114.5μH。變壓器采用磁集成式，也就是漏感作為諧振電感Lr，不采用獨立的諧振電感。采用Y法來確定磁芯規格，選取磁芯型號為EER4215，其Ae=194mm2。變壓器的最壞設計是在最低開關頻率下，而在最小輸入電壓，滿載輸出情況下，開關頻率最低。變壓器原邊最小匝數[2]：

選擇一個Ns1，使nNs1大于Npmin。那么，Ns1=8，Np=32>28.6。則選取原邊32匝，輸出48V的副邊繞組16匝，輸出12V的副邊繞組4匝，其他參數根據照明電源的參數來求解。

由于漏感較高，因此需要使用利茲線來降低強漏磁通引起的趨膚效應和臨近效應所造成的銅損。

2.5 LLC反饋電路設計

LLC諧振變換器的控制電路是由圖5中的電阻、電容和光耦U7B來構成反饋網絡對LLC變換器進行控制。

R54是與光耦器串聯的主要負載電阻。選取1.8KΩ的電阻值將獲得較佳的頻率響應，并可獲得約為2mA的集電極最大負載電流。啟動時的初始頻率fstart，通常取值等于或小于fmax。R51用來設定初始頻率，由圖6可知，開關頻率132KHz對應的電阻值為22KΩ，即R51=22KΩ。

圖5 LLC反饋電路

LLC在最低輸入電壓，滿載條件下進行調整時所需的頻率最低，fmin由（R51+R49）決定。本設計所需的fmin為57KHz。由圖6可知，開關頻率57KHz對應的電阻值為78KΩ，即R51+R49=78KΩ，因此R49=56KΩ。

IFBLmax是在光耦器飽和時流入FBL引腳的電流。它代表反饋環路可通過FBL引腳進行控制的最大頻率fmax。由圖5可知，VR53由下式來表示。

根據IFBL與頻率之間的關系，可以求出IFBLmax，從而求出R53的值。在本設計中，R53取19KΩ。

圖6 從FBL到VREF引腳的上拉電阻與開關頻率的比例關系

C27來執行LLC軟啟動，LLC以高頻啟動，然后下降直至達到輸出穩定。C27的大小決定軟啟動時間，本電路設計中取1μF，軟啟動時間約15.8ms。

2.6 其他LLC元件和輸出反饋電路的設計

LLC諧振變換器中的MOSFET，輸出整流二極管，驅動電路和自舉電路等，根據輸出的功率、效率和PLC810PG的數據手冊來設計。輸出恒壓和恒流檢測和反饋電路采用芯片TSM103和光耦U7A，設計的電路及參數如圖1(c)所示。

3 實驗結果

基于PLC810PG控制芯片，設計了一臺輸出150W的實驗樣機，實驗電路如圖1所示。150W LED照明電源主要參數如表1所示。負載所用的LED采用科銳公司（英文名：CREE）的XR-M3，其電氣參數如下：正常工作電流：350mA～700mA，最大支持1000mA；典型電壓值3.6V(350mA)，3.72V(520mA)。

考慮到LED的伏安特性及開關電源輸出功率在150W左右，LED光源陣列采用78顆XR-M3，13串6并的方案。

輸入電壓為230V，輸出150W和75W時，輸入電壓/電流波形如圖7所示，從圖中可以看出，輸入電流近似于正弦波，功率因數可達到0.99，諧波畸變小于5%。解決了電磁干擾（EMI）的問題以滿足各國的安規標準、電磁兼容和環保等要求；不同輸出功率時半橋原邊電壓和電流波形實驗波形如圖8所示，從圖中可以看出，LLC半橋諧振變換器在不同負載條件下實現了功率開關管的軟開關。整機效率在滿載輸出時可達到87%以上，達到節能的目的。

4 結束語

本文采用PFC+半橋LLC諧振和恒壓/恒流電路結構來驅動大功率LED。基于PLC810PG控制方案制作了實驗樣機。實驗結果表明，該LED照明電源方案具有高效率、高功率因數和低成本等，證明了該方法的可行性，并可應用到輸出150W大功率LED照明電源中。

圖7 輸入電壓/電流波形

圖8 不同輸出功率時半橋原邊電壓和電流波形

[1]李文宜,張萬路,江磊,劉木清.LED應用于道路照明的探討[J].2008中國道路照明論壇論文集,2008,39(2):77-80.

[2]Fairchild Semiconductor. Half-bridge LLC resonant Converter Design Using FSFR-series Power Switch，Application Note AN-4151,2009,Rev1.0.2

[3]Datasheet of Cree XR-M3,http://www.cree.com.cn/.

[4]Power Integrations. PLC810PG Continuous Mode PFC& LLC Controller with Integrated Half-bridge Drivers datasheet, 2009.8,

[5]datasheet of TSM103W,http://www.st.com/.

[6]趙磊.LLC諧振變換器的研究[D].西南交通大學,2008.6:12-15.

Research on a high power supply for LED lighting

LIANG Qi-feng，LIAO Hong-fei，HE Wei-wei

根據LED工作的特點及大功率LED照明電源的要求，本文分析并設計了一種基于PLC810PG控制的大功率LED照明電源。對此電源的電路結構、工作原理和關鍵元件參數進行了分析，并制作了一臺輸出150W的實驗樣機，整機效率在滿載輸出時可達到87%以上，功率因數可達到0.99，諧波畸變低于5%，實驗結果表明該方案可行，性能指標達到大功率LED照明電源的要求。

功率因數校正；LLC諧振變換器；照明電源

梁奇峰（1979 -），男，湖北咸寧人，工程師，講師，碩士，主要從事DC-DC模塊電源、LED驅動電源的研究以及職業教育。

TN713

A

1009-0134(2014)06(上)-0132-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).38

2014-03-06

廣東省中山市工業攻關科技項目：智能化大功率LED照明電源的應用研究（20114A228）