高壓直流作為輸入電壓的DC/DC驅動電源研究

田勝利

（甘肅紫光智能交通與控制技術有限公司，甘肅 蘭州 730010）

1 引言

LED燈具在戶外公路和隧道照明的應用日益普及，且隨著LED技術的不斷發展，LED芯片性能不斷提高，價格持續下降，整燈價格也隨之下降。但是由于燈具從公共電網取電，而LED需要的是直流恒流電源，因此必然需要一個AC/DC驅動電源把電網電壓轉換為LED工作所需的電流。相比于LED技術，驅動電源技術的提升相對滯后，日益成為壽命和可靠性的瓶頸，且在整體價格中所占比例也在不斷提高。當前LED的使用壽命已經可以達到10萬小時，而驅動電源遠遠無法與之匹配，當前最多做到5萬小時壽命。從已經安裝的LED燈具分析，出現故障的燈具中80%是由于驅動電源故障。與此同時，驅動電源在整燈中所占比例已經從早期的10%攀升到當前的25%-30%。因此驅動電源急需在壽命、可靠性、成本等多個方面的指標取得突破性進展。

本文提出的一種基于多脈沖變壓整流技術的AC/DC變換電源方案，在不同功率的燈具側DC/DC驅動電源上分別選取了雙管反激和雙管正激的電源拓撲，主要為了適應寬輸入電壓范圍和寬輸出電流范圍，以及確保調光穩定性。

2 國內研究情況

LED隧道燈已在甘肅省高速公路隧道建設中大量使用，其供電模式為隧道供電高壓轉換為低壓，在燈具處采用AC-DC模塊直流供電。燈具的控制模式采用分段控制，即對燈具根據不同線路進行開關控制。從實際運行效果來看，采用傳統供電與控制模式對像LED隧道照明等這樣的直流供電系統進行管理，在供電效率到管理模式效果并不好。這不僅影響了LED照明系統的可靠性，還大大增加了維護成本；現有隧道燈具管理模式是根據時間的變化對燈具開關進行控制，從而提高燈具利用效率和照明效率，但是對單個燈具運行狀態無法檢測，不能夠及時發現燈具故障，不具備智能化的功能。目前國內主要采用280VDC-24VDC的變換器，主要電路形式為單級排布式和兩級排布式兩種方案。

圖1 變換電路

本課題計劃探討一種新型的驅動電源，以高壓直流供配電為基礎，在交流電網側通過一個特殊設計的自耦變壓器，在確保功率因數和總諧波含量（THD）指標達標的前提下，把交流電壓轉換成一個高壓直流電壓，在隧道內部以高壓直流電壓作為電力傳輸方式，從而直接給LED隧道燈供電，提高燈具的電源使用壽命；在每個燈具上安裝一個DC/DC變換器作為驅動電源，而且每個驅動電源可以通過高壓直流傳輸線作為載體，通過電力載波（PLC）進行通訊，大幅度提高LED隧道照明系統的可靠性、智能化水平、電源轉換效率和降低整個工程造價，具有顯著的經濟和社會效益。

隨著半導體工藝水平不斷提高和不斷發展的電子產品的需要，目前業界將電源管理類IC分為三類：線性穩壓器（LDO），DC-DC變換器和電容式DC-DC變換器。

兩級式方案相較于單級式方案，有更多拓撲選擇，更易于控制。

3 設計思路

下面針對模塊電源的小型化和降低損耗，從電路拓撲選擇、器件選擇等方面進行討論。

十八脈沖自耦變壓整流方案，這種方案的輸出電壓標稱值為540V，當輸入的交流電壓變化范圍為+/-15%時，直流輸出范圍也會相應地在+/-15%之間變化，因此其穩態輸入電壓范圍是459V-621V。考慮到重載情況下線路末端的最低電壓有可能再減少10%，因此實際需要的輸入電壓范圍是413V-621V。這樣給DC/DC電源所規定的輸入電壓范圍定在400V-630V，其特點是電壓高，范圍寬。在普通AC/DC驅動電源中的DC/DC部分的輸入電壓基本為恒定電壓430V左右。因此從輸入電壓范圍角度，本文的DC/DC電源要求與普通AC/DC驅動電源的DC/DC部分有很大不同。

除此之外，關于調光的要求為：可以在額定電流的10%-100%之間進行調光；當調光指令低于10%時，自動關斷LED的輸出。其它要求包括：效率盡量高，輸出電流紋波盡量小，電源可靠性高，壽命長等。至于防水防塵、安規、電磁兼容、認證要求等等一般要求與普通交流輸入的驅動電源是一致的。當然還要求所選方案成本盡可能低。

3.1 雙管反激方案

從之前的分析可見，無論對于反激還是正激方案，主要的問題在于電壓應力過高。為了降低電壓應力，可以采用雙管方案。雙管反激的簡化原理圖如圖2所示。

圖2 雙管反激拓撲示意圖

除了反激電路的固有特點之外，雙管反激的優點在于電壓應力低，效率高。這個電路的MOS電壓應力就是輸入電壓。在單管情況下，變壓器漏感的能量只能在吸收電路中消耗；在雙管情況下，漏感能量可以經二極管反饋到輸入端。因此雙管反激的效率比單管高了很多。為了進一步提高效率，雙管反激可以采用準諧振開關的方案，不過這樣開關頻率就不能保持恒定，在大范圍調光情況下有可能出現不穩定。

不過盡管如此，雙管反激電路仍然是本課題中可以選取的方案之一。

3.2 雙管正激方案

另一個雙管方案就是雙管正激，其原理圖如圖3所示。

圖3 雙管正激拓撲示意圖

與雙管反激一樣，雙管正激電路的電壓應力也是輸入電壓，而且也可以通過二極管把漏感能量回饋到輸入端，因此也是效率很高的電路。雙管正激采用定頻開關模式，且由于輸出電感的作用，其輸出電流紋波更小，更加穩定，更加適合于大范圍調光的場合。雙管正激也是本課題可以考慮的方案之一。

與雙管反激相比，二者性能基本一致，雙管反激成本略低；雙管正激調光更穩定。這兩個電路都可以在本課題中得到應用。

4 DC-DC電源的應用

表1 120W和35W電源基本參數

在祁家大山隧道LED照明項目中，應用十八脈沖自耦變壓整流方案的路段包括120W和35W兩種驅動電源。為了試驗兩種不同方案，在120W電源上應用了雙管反激方案，在35W電源上應用了雙管正激方案。兩種方案的輸出電流都是0.7A。對于調光的要求都是在10%-100%范圍內無極調光，小于10%時自動關斷。

經測試，這兩種方案的性能指標如表1所示。

其中35W電源效率明顯低于120W電源，其原因并非由于采用了不同的電路拓撲，而是因為電源功率小。即使采用相同的拓撲，電源功率越小，效率越低，這是因為電源的損耗包括轉換損耗和控制電路損耗。其中轉換損耗與功率正相關，控制電路損耗基本與功率無關。因此功率越小，控制電路損耗在總功率中占比越大，造成效率越低。

在這個項目實際工況的測量中，120W電源所帶實際功率在80-100W之間，因此效率比滿載的95.0%有所下降，約為94.0%；35W電源所帶實際功率為28W左右，因此效率比滿載的89.5%有所下降，約為88%。

在測試中還發現，驅動電源的效率與輸入電壓基本無關，也就是說輸出確定后，驅動電源的內部損耗基本是一個常數。經過計算，這兩個電源的最大損耗都不超過7W。根據當前的外殼設計，7W的內部損耗引起的溫升有限，可以滿足室外65℃的高溫。

由于輸入紋波較小的直流電壓，因此輸入端不需要容量很大的電解電容；由于輸出端電流較小，輸出端也不需要大容量電解電容。因此在設計中可以保證這個應用場合中不需要安裝高壓大電解電容。這樣就大大提高了電源的預期壽命。

5 結語

本文提出提出了一種基于漏失電壓直接檢測并利用數字電路檢測最大壓降的高效率自適應DC-DC變換器。LED驅動電路結構隨著流過LED電流的不同，LED的正向導通電壓也不同。因此，采用固定電壓會降低LED驅動的效率。本文LED驅動電源采用多增益DC-DC變換器，利用漏失電壓直接檢測LED最大壓降，采用電壓外環和電流內環的雙反饋環路來控制DC-DC變換器LED驅動，實現了DC-DC變換器1×、1.5×和2×多模式自動轉換，并通過采用超低壓差電流調節技術優化了模式轉換點從而保證高效率。