有源PFC功能電路設計的室外LED路燈電源設計

0 引言

LED路燈是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起 LED的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度，因此LED的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發(fā)光強度。用市電驅(qū)動大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC(功率因素校正)和恒流問題，還需有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，能長時間工作，易散熱，低成本，抗電磁干擾，和過溫、過流、短路、開路保護等。本文介紹了基于LED路燈的PFC開關電源設計方案。方案采用有源PFC功能電路設計的室外LED路燈電源，內(nèi)置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的要求。最后測試結(jié)果也表明，本方案所設計的PFC開關電源性能良好、可靠、經(jīng)濟實惠且效率高，在 LED路燈使用過程中取得滿意的效果。

1 系統(tǒng)總體框圖

采用隔離變壓器、PFC控制實現(xiàn)的開關電源，輸出恒壓恒流的電壓，驅(qū)動LED路燈。

LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。LED路燈裝在戶外更要加強浪涌防護。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源應具有抑制浪涌侵入，保護LED不被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。

三相交流電經(jīng)過全橋整流后變成脈動的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開關DC/AC電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED路燈需要的直流電源。

PWM控制電路采用電壓電流雙環(huán)控制，以實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整和輸出電流的限制。反饋網(wǎng)絡采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反饋信號通過光耦送給PFC器L6561.由于使用了PFC器件使模塊的功率因數(shù)達到0.95.

2 DC/DC變換器設計

DC/DC變換器的類型有多種，為了保證用電安全，本設計方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進一步細分為正激式、反激式、半橋式、全橋式和推挽式等。其中，半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場合，其激勵電路復雜，實現(xiàn)起來較困難;而正激式和反激式電路則簡單易行，但由于反激式比正激式更適應輸入電壓有變化的情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會發(fā)生較大的變化，故DC/DC變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩(wěn)定不變。

反激式開關電源主要應用于輸出功率為5~150W的情況。這種電源結(jié)構(gòu)是由Buck-Boost結(jié)構(gòu)推演并加上隔離變壓器而得到，如圖2所示。在反激式拓撲中，由變壓器作為儲能元件。開關管導通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供;開關管關斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負載電流時消耗的能量。

圖中T1為高頻隔離變壓器，VQ1為CMOS功率三極管17N80C3，VD7和VD8是瞬變抑制二極管，VD6為快恢復二極管，VD5為雙二極管，C3、C4、C5和C6為電解電容器。Ubout是來自整流橋的脈動直流信號，GD是來自功率因數(shù)校正電路的控制信號。變壓器的引線l和2組成一個繞組，給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。

3 反饋網(wǎng)絡電路設計

3.1恒流恒壓電路

本設計使用恒流恒壓控制器件TSM101調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使之穩(wěn)定。電路如圖3所示。通過 TSM101的控制作用，保證了電源恒流(CC)和恒壓(CV)工作。圖3中，Uout+和Uout-是隔離變壓器經(jīng)過雙二極管和電解電容器濾波的電壓，再經(jīng)電感L4和電容濾波后的輸出為Uout+和Uout-，為本電源模塊的輸出電壓，直接加在LED路燈上?？烧{(diào)電阻器RV1和RV2分別調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小。R10和R11為22mΩ的電阻，分別對電源輸出的電壓和電流采樣。TMS101的輸出TOUT通過光電耦合器、可控硅和三極管等電路送到L6561的引腳5，通過反饋電路實現(xiàn)恒流控制。器件引腳8接輔助電源，引腳4接變壓器T1副邊地。

3.2比較器電路

采用比較器LM258，輸出端的采樣電阻兩端的電壓信號VR+和VR-送到比較器LM258，通過與預設電壓進行比較，產(chǎn)生電壓反饋信號DOUT.VF為變壓器T1副邊繞組產(chǎn)生的輔助電源。

4 PFC電路設計

本設計采用最常見的有源功率因數(shù)校正的控制器件L6561.PFC電路。

L6561的引腳8為電源輸入端，由變壓器T1的副邊繞組提供;引腳7為驅(qū)動信號輸出引腳，直接驅(qū)動MOS管VQ1;引腳6為參考地，該引腳和主回路的地連在一起;引腳5為過零檢測引腳，用于確定何時導通MOS管。變壓器T1的引腳1和引腳2組成的繞組，通過電阻將電感電流過零信號傳輸至該器件的引腳5，同時比較器LM258產(chǎn)生的信號DOUT通過光耦、三極管、可控硅等傳輸至器件的引腳5，以檢測輸出電流。引腳4為MOS管電流采用引腳，器件將該引腳檢測到的信號與器件內(nèi)部產(chǎn)生的電感電流信號相比較，來確定何時關斷MOS管。圖2中電阻R4作為電流檢測電阻，采樣MOS管電流，該電阻一端接于系統(tǒng)地，另一端同時在MOS管的源極和器件的引腳4.引腳3為器件內(nèi)部乘法器的一個輸入端，該引腳與整流橋電路輸出電壓相連，確定輸入電壓的波形與相位，用以生成器件內(nèi)部的電感電流參考信號。圖5中，Ubout經(jīng)3只電阻分壓后傳送到引腳3.引腳2為內(nèi)部乘法器的另一個輸入端，同時為電壓誤差放大器的輸出端，引腳1為系統(tǒng)反饋電壓的輸入端。恒流恒壓器件的輸出TOUT通過光耦將電壓反饋傳送到器件的引腳1，形成輸出電壓的負反饋回路。電阻R28和電容C18連接于器件的引腳1和引腳2之間，用于形成電壓環(huán)的補償網(wǎng)絡。

5測試結(jié)果

電源模塊電裝完后，加上負載，用示波器對關鍵點測試，(a)為整流橋的輸出電壓Ubrout+，(b)為Ubrout+流過電感后的電壓Ubout+的波形，(c)為雙二極管的輸出電壓Ucout+的波形。

測試結(jié)果表明，功率為90W，功率因數(shù)達0.95.根據(jù)用戶需求可在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

6結(jié)論

本方案采用有源PFC功能電路設計的室外LED路燈電源，內(nèi)置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的要求。采用電壓環(huán)反饋，限壓恒流，效率高，恒流準，范圍寬，實現(xiàn)了寬輸入，穩(wěn)壓恒流輸出，避免了LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。測試結(jié)果也表明，本方案所設計的PFC開關電源性能良好、可靠、經(jīng)濟實惠且效率高，在LED路燈使用過程中取得滿意的效果。