一種基于PFC的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張磊，杜曉嵐

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)　712000）

一種基于PFC的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張磊，杜曉嵐

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

本文討論一種基于PFC設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源。介紹了系統(tǒng)工作原理和技術(shù)指標(biāo)要求，提出GRM模式PFC設(shè)計(jì)方案，包括前級(jí)的功率因數(shù)校正、防雷、浪涌保護(hù)及EMI電路，恒流控制電路，實(shí)現(xiàn)LED正常工作。并針對(duì)LED特性設(shè)置了保護(hù)功能。最后進(jìn)行了絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度、短路保護(hù)功能、高低溫工作等性能測(cè)試。

LED；PFC；電源驅(qū)動(dòng)電路；CRM；保護(hù)電路

LED照明具有發(fā)光效率高、功耗和工作電壓低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來LED照明技術(shù)飛速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電源是LED照明產(chǎn)品的核心部分，驅(qū)動(dòng)電源的好壞將影響了LED的品質(zhì)和壽命。該論文研究一種基于功率因數(shù)校正（PFC）的LED電源驅(qū)動(dòng)電路。

1　系統(tǒng)工作原理及技術(shù)指標(biāo)

1.1工作原理

LED驅(qū)動(dòng)器主要用于大功率照明，設(shè)計(jì)時(shí)必須達(dá)到正常照明要求；滿足高效率、低成本和小體積；電源驅(qū)動(dòng)器的輸出必須采用恒流控制；充分考慮安全工作。

交流輸入首先進(jìn)入防雷浪涌保護(hù)及EMI路，該部分電路即防止外部干擾侵入電源內(nèi)部，同時(shí)又阻止內(nèi)部的干擾進(jìn)入交流輸電系統(tǒng)；正常輸入交流經(jīng)整流濾波電路，進(jìn)入功率因數(shù)校正電路，進(jìn)行電壓電流波形調(diào)制，實(shí)現(xiàn)功率因素和電流諧波要求；經(jīng)恒流控制電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出，實(shí)現(xiàn)LED正常工作。工作原理圖，如圖1所示［1-3，5］。

1.2技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，如表1所示。

2　PFC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖1　工作原理框圖Fig.1　Working principle diagram

表1　技術(shù)指標(biāo)表Tab.1 Technical indicators table

系統(tǒng)選用具有芯片價(jià)格廉價(jià)、便于設(shè)計(jì)、沒有開通損耗。升壓管關(guān)斷時(shí)是零電流自然關(guān)斷，承受的尖峰較小，損耗也相應(yīng)較小等優(yōu)點(diǎn)的臨界導(dǎo)通型控制模式（CRM），CRM模式的工作原理框圖如圖2所示［6-8］。用于CRM模式控制的芯片比較多，ST公司的L6562D芯片具有性能優(yōu)良、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，故選擇該芯片。本系統(tǒng)采用控制芯片L6562D設(shè)計(jì)PFC電路，具有外部電路簡(jiǎn)潔，逐個(gè)脈沖進(jìn)行電流限制，有可編程的輸出過壓保護(hù)和開環(huán)保護(hù)功能。電路原理如圖3所示。

圖2　CRM模式工作原理框圖Fig.2　CRM mode working principle diagram

圖3　基于L6562的CRM模式的PFC電路Fig.3　Based on the L6562 model CRM PFC circuit

2.1高頻濾波電容

設(shè)計(jì)要求最低、最低輸入電壓、最大輸出功率分別為Vin（min）=17 V、Vin（max）=264 V、Po（max）=90 W，PFC電路工作頻率fsmin=90 kHz，輸出電壓VO=400 V，PFC電路效率η=96%，根據(jù)式（1）可得Irms=0.58 A。

一般高頻紋波電壓為最小輸入電壓的1%到10%，選擇一個(gè)中間值5%，則有r=5%。根據(jù)式（2）可得C1=0.2 μF。

2.2輸出電容

由于△V=l0 V，輸出電壓為400 V，所以 Vout（max）=410 V，Vout（min）=390 V輸出電容根據(jù)式（3）可得 C6=0.75 μF，可選用0.82 μF電解電容并聯(lián)。

2.3boost電感

即變壓器T的原邊電感LP，開關(guān)頻率最小f＝50 kHz，根據(jù)式（4）可得LP=890 μH，可選用900 μH電感。

2.4變壓器的匝數(shù)

因此處的電感不僅作為電感，還要作為一個(gè)變壓器用來產(chǎn)生控制IC所需要的電源，可以推算出在輸入電壓為170VAC時(shí)的工作頻率，作為變壓器副邊供電，必須保證IC能夠正常工作，為此處設(shè)定工作電壓為18 V［4］。

選擇TDK的PQ26/20型磁芯:Ae=119 mm2，取其最大的磁通密度為:ΔB=0.25 T。據(jù)式（5）得NP=49.5，選50匝。據(jù)式（6）可計(jì)算D=0.4。據(jù)據(jù)式（7）可得NS=5匝。

2.5PFC的MOSFET

原邊電流在在最低電壓的時(shí)候其電流有效值為最大，通過式（8）的近似計(jì)算。Imos-rms=0.58 A，實(shí)際上在MOSFET關(guān)斷的時(shí)候，其上面是沒有電流流過的，可以選用場(chǎng)效應(yīng)管SPP20-N60C3。

2.6輸出整流二極管

通過整流二極管的電流有效值根據(jù)公式（9），可得IDrms= 0.82 A，可選用MURF860，其典型的導(dǎo)通壓降為0.8 V。

3　輔助電路設(shè)計(jì)

3.1保護(hù)功能

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求有輸出的過電壓、短路和過溫等保護(hù)功能。

輸出過壓保護(hù)是通過檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓超過保護(hù)點(diǎn)時(shí)，通過光禍隔離將觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)匠跫?jí)，拉低控制芯片L6565D的COMP端，使電源無(wú)輸出。

輸出短路保護(hù)是通過電阻采樣輸出電流，當(dāng)輸出電流超過設(shè)定的保護(hù)點(diǎn)（2 A）時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)光禍導(dǎo)通，光禍的次級(jí)將控制芯片L6565D的COMP端，使電源無(wú)輸出，當(dāng)短路狀態(tài)解除以后，能夠自動(dòng)恢復(fù)輸出。

輸出過溫保護(hù)通過在控制芯片L6565D的供電電源端VCC串聯(lián)一個(gè)105℃的常閉溫度繼電器ST-22來實(shí)現(xiàn)，溫度繼電器貼裝在主功率管的散熱器上，當(dāng)溫度超過105℃時(shí)，溫度繼電器斷開，電源輸出關(guān)閉，當(dāng)溫度恢復(fù)至95℃左右時(shí)，溫度繼電器重新閉合，電源輸出恢復(fù)。

3.2BUCK恒流源電路

BUCK電路拓?fù)湫问胶?jiǎn)潔，外圍元件少，效率高，電路原理如圖所示，控制芯片選用MPS公司的MP4688，電路如圖4所示。

3.3防浪涌、防雷、EMI濾波電路

本電源是為L(zhǎng)ED路燈供電，防浪涌、防雷是基本要求之一，較大的輸入功率（約90 W）使得EMI濾波也是其重要指標(biāo)要求，針對(duì)這三個(gè)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

壓敏電阻RV1起到防浪涌的作用，RV2、RV3、VGl（氣放管）共同構(gòu)成防雷電路，共模電感L1、L2、Cl～C6構(gòu)成EMI濾波電路，保險(xiǎn)絲F1提供輸入短路保護(hù)，R1～R3為C1、C6提供放電通路。

圖4　BUCK恒流源電路Fig.4　BUCK constant current source circuit

圖5　防浪涌、防雷、EMI濾波電路Fig.5　Surge protection，lightning protection，EMI filter circuit

4　系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試框圖如圖6所示。

4.1絕緣電阻測(cè)試

用絕緣耐壓測(cè)試儀測(cè)試被測(cè)電源輸入對(duì)輸出，輸入、輸出對(duì)外殼的絕緣電阻 Ra，應(yīng)大于等于 50 MΩ，測(cè)試電壓: DC500V，分別短接輸入端子和輸出端子。

圖6　測(cè)試框圖Fig.6　Test schematic diagram

4.2絕緣強(qiáng)度測(cè)試用絕緣耐壓測(cè)試儀測(cè)試被測(cè)電源，施加下列條件并保持1 min，應(yīng)無(wú)擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。分別短接輸入端子和輸出端子。

4.3短路保護(hù)功能測(cè)試

按測(cè)試框圖所示連接電源供電、調(diào)壓器、智能電量測(cè)量?jī)x、被測(cè)電源、電子負(fù)載及各測(cè)量?jī)x器儀表，調(diào)節(jié)調(diào)壓器使輸入電壓為AC230V，被測(cè)電源正常工作。

用電子負(fù)載的短路功能使被測(cè)電源輸出短路，然后解除短路狀態(tài)，被測(cè)電源應(yīng)能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。被測(cè)電源的短路保護(hù)功能正常。

4.4高低溫工作試驗(yàn)

將被測(cè)電源放入溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，按測(cè)試框圖連接好儀器儀表及電子負(fù)載。啟動(dòng)溫度試驗(yàn)箱降溫至-45℃±2℃，恒溫2 h后加電，進(jìn)行測(cè)試。完成測(cè)試后開始升溫，升溫過程中保持被測(cè)電源額定工作狀態(tài)，溫度升至+45℃±2℃，恒溫加電2 h后進(jìn)行測(cè)試。

通過測(cè)試，本系統(tǒng)解決措施是有效的，提高了變換器的效率，使本電源整體效率達(dá)到了技術(shù)要求。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和波形得出結(jié)論:基于PFC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的LED驅(qū)動(dòng)電源，設(shè)計(jì)合理，調(diào)試和試驗(yàn)中性能可靠穩(wěn)定，性能和指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)需求。

5　結(jié)束語(yǔ)

LED被認(rèn)為是未來最有前途的照明光源，而LED驅(qū)動(dòng)電源是影響和制約LED壽命的最主要因素。本論文是在這一前景下，研制的基于PFC的LED驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)電源損耗低，具有較高的功率因數(shù)和效率。該驅(qū)動(dòng)電源電路形式簡(jiǎn)潔、外圍元件少、體積小、功率密度較高、可靠性高，防水、防塵等效果良好，各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)要求。

［1］邾玢鑫，羅全明，汪洋，等.多路輸出高降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電源［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（6）:178-183.

［2］王慧貞，張軍達(dá).一種新型無(wú)橋Boost PFC電路［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（5）:109-115.

［3］姚凱，阮新波，王蓓蓓，等.第四代電光源—發(fā)光二極管［J］.電源世界，2008（3）:21-26.

［4］蔣志宏，黃立培，朱紀(jì)洪.并聯(lián)交錯(cuò)臨界連續(xù)PFC變換器的單周期控制［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，47（7）: 1197-1200.

［5］Lu B，Dong W，Zhao Q.Performance evaluation of Cool MOSTM and SiC diode for single-phase power factor correction applications［C］.APEC'03，2003，2:651-657.

［6］Krames M R，Shchekin O B，Mueller M R.Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting［J］. Journal of Display Technology，2007，3（2）:160-175.

［7］Qingcong Hu，Zane R.LED driver circuit with series input connected converter cells operating in continuous conduction mode［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25 （3）:574-582.

［8］張建飛，史永勝，寧青菊，等.單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的研究與設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2012（5）:671-676.

The design of LED driving circuit based on PFC

ZHANG Lei，DU Xiao-lan
（Electrical Engineering Department of Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

This paper discuss the design of LED driving circuit based on PFC.Introduces the working principle of the system and the technical index requirements，put forward the GEM model PFC design project.include before the level of power factor correction，lightning protection，surge protection and EMI circuit，Constant current control circuit，LED to work properly. And design the protection function for the LED characteristics.In the last test the insulation resistance，dielectric strength，short circuit protection function，high and low temperature working.

LED；PFC；the power drive circuit；CRM；protective circuit

TN6

A

1674－6236（2016）05-0116-04

2015-04-16稿件編號(hào)：201504160

張 磊（1983—），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。