一種100 W LED路燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
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摘要：設(shè)計(jì)了一種恒流型100 W LED路燈驅(qū)動(dòng)電源。該電源采用反激拓?fù)?/strong>，輸入220V／50 Hz的交流電，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的恒流輸出，開(kāi)路狀態(tài)下具有限壓保護(hù)功能。與傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電源相比，該電源兼顧了高效率和功率因數(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。在此對(duì)該驅(qū)動(dòng)電源的電路進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分析了恒流原理，同時(shí)闡述了變壓器的設(shè)計(jì)方法，最后搭建的樣機(jī)滿載效率達(dá)到87．5％，功率因數(shù)達(dá)到0．9以上，帶燈后恒流輸出在3 A，電流紋波小于50 mA。
關(guān)鍵詞：電源；反激變換器；恒流
1 引言
LED路燈是半導(dǎo)體照明最終進(jìn)入千家萬(wàn)戶的功能性照明的第一步，其優(yōu)點(diǎn)是省電、安全、環(huán)保、方向性強(qiáng)、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)、易控制等。用LED路燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)路燈，1盞每年可節(jié)電1 000 kW·h。近來(lái)，我國(guó)在硅基LED材料生長(zhǎng)與芯片制造技術(shù)上取得了重大突破，從源頭上避開(kāi)了目前國(guó)際主流的LED照明技術(shù)(藍(lán)寶石襯底LED照明技術(shù)和碳化硅襯底LED照明技術(shù))的專利制約，開(kāi)辟出一條硅基氮化鎵LED照明新技術(shù)路線，這必將大幅降低LED的成本，進(jìn)一步推動(dòng)大功率LED路燈的推廣。
目前的LED驅(qū)動(dòng)電路主要有線性穩(wěn)壓源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源、開(kāi)關(guān)恒流源。線性穩(wěn)壓源的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本很低，缺點(diǎn)是效率低、溫升高、體積大；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬，缺點(diǎn)是亮度不穩(wěn)定，對(duì)元器件要求高；開(kāi)關(guān)恒流源的優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、LED亮度穩(wěn)定，缺點(diǎn)是對(duì)元器件要求高，LED大規(guī)模并聯(lián)亮度不一致。開(kāi)關(guān)恒流源又主要分為反激電源和諧振電源，諧振電源效率相對(duì)較高，但成本也較大。作為路燈照明．要求驅(qū)動(dòng)適應(yīng)惡劣環(huán)境，穩(wěn)定性高，電路簡(jiǎn)單，同時(shí)燈應(yīng)無(wú)閃爍。因?yàn)槁窡艄β室话爿^大，整體亮度很高，對(duì)LED并聯(lián)串的亮度一致性要求不高。同時(shí)路燈照明對(duì)效率和成本要求較高，鑒于諧振電源相對(duì)反激電源效率提升有限，采用反激結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)恒流源不失為100 W功率級(jí)LED路燈驅(qū)動(dòng)的最佳選擇。
在此設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良的100WLED路燈驅(qū)動(dòng)電源，采用反激拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的恒流輸出，具有良好的過(guò)流、欠壓及過(guò)溫保護(hù)功能，同時(shí)兼顧了高效率和較高功率因數(shù)校正值。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了減少電網(wǎng)諧波，傳統(tǒng)大功率LED驅(qū)動(dòng)電源一般由APFC+DC／DC變換器構(gòu)成，通常這樣的兩級(jí)結(jié)構(gòu)效率不超過(guò)85％，同時(shí)成本也會(huì)增加。文中LED驅(qū)動(dòng)采用無(wú)源PFC反激變換拓?fù)洌到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
EMI濾波采用標(biāo)準(zhǔn)的電感電容連接方式，抑制交流電網(wǎng)的高頻干擾和電源對(duì)交流電網(wǎng)的干擾。PFC部分采用填谷式無(wú)源PFC電路，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率因數(shù)，缺點(diǎn)是輸出電壓波動(dòng)較大，但由于后面接DC／DC電路，所以該缺點(diǎn)對(duì)此驅(qū)動(dòng)電源無(wú)影響。PFC電路輸出的能量經(jīng)高頻變壓器傳遞給次級(jí)電路，高頻變壓器是驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)將在后面詳細(xì)講解。功率MOSFET的選取是另一個(gè)關(guān)鍵，需考慮功率管的耐壓及變壓器初級(jí)電流，一般功率管的額定電流選為初級(jí)電流有效值的十倍，以保證足夠的余量。同時(shí)導(dǎo)通電阻要低，防止導(dǎo)通損耗過(guò)大。
該LED驅(qū)動(dòng)采用通用的電流模式PWM控制器UC3843A作為主控芯片，該集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、高增益誤差放大器，能進(jìn)行精確的占空比控制，同時(shí)具有多重保護(hù)功能，采用大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。主拓?fù)洳捎梅醇ぷ儞Q拓?fù)?，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷，將變壓器儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容。次級(jí)采用集成電路TSM101將電壓和電流采樣信號(hào)與內(nèi)部的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，比較后的信號(hào)通過(guò)光耦反饋給初級(jí)的PWM控制器進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)以保證該LED驅(qū)動(dòng)電源恒流輸出。當(dāng)恒流輸出失效時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓輸出，保護(hù)負(fù)載。
3 設(shè)計(jì)原理
3．1 反激變換原理
該設(shè)計(jì)采用圖2所示的反激變換拓?fù)洌涔ぷ髟硎牵洪_(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量。令Lp為變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感，Ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，Udc為整流后的直流電壓，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通結(jié)束時(shí)，初級(jí)電流ip=UdcTon／Lp，此時(shí)變壓器儲(chǔ)存的能量E=Lpip2／2。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，如果變壓器次級(jí)電流能夠降為零，則為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，變壓器儲(chǔ)存的能量全部傳遞到次級(jí)：如果變壓器次級(jí)電流不能降為零，則為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，該設(shè)計(jì)滿載下采用CCM。
3．2 變壓器設(shè)計(jì)
變壓器的設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，首先取整流橋后的低頻紋波為20 V，則最低輸入直流電壓。設(shè)Uo為設(shè)計(jì)要求的輸出直流電壓，f為功率管開(kāi)關(guān)頻率，Ac為磁芯截面積，根據(jù)變壓器磁芯的伏秒數(shù)守恒可得：
一般取Bmax=0．2 T，得到Np，聯(lián)合式(2)，得到Ns。定義CCM下的連續(xù)深度K=0．6，即斜坡電流與峰值電流的比值，一個(gè)周期電流的平均值為：
由上述得到初、次級(jí)電流有效值，以此來(lái)確定初、次級(jí)線圈的線徑。初級(jí)勵(lì)磁電感Lp=UminTon／(KIp)，根據(jù)安培環(huán)路定理有：
式中：μ0為空氣的磁導(dǎo)率；μ為磁芯磁導(dǎo)率；γ為磁芯長(zhǎng)度；δ為氣隙長(zhǎng)度。
至此實(shí)現(xiàn)了高頻變壓器的設(shè)計(jì)。
3．3 恒流設(shè)計(jì)
該驅(qū)動(dòng)電路的恒流控制是由TSM101C作為主控芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TSM101C包含1．2 V的帶隙電壓基準(zhǔn)源、兩個(gè)集成運(yùn)放以及一個(gè)電流源，分別將環(huán)路電壓采樣和電流采樣信號(hào)與內(nèi)部的參考值進(jìn)行比較，通過(guò)誤差放大器輸出一個(gè)反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦傳遞給初級(jí)的PWM控制器UC3843 A，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了精確的電壓調(diào)節(jié)和電流限制。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須精巧設(shè)計(jì)以保證系統(tǒng)有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)不出現(xiàn)振蕩。
4 樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
樣機(jī)設(shè)計(jì)要求：①應(yīng)用于100 W(10x10)的燈具：②輸入電壓范圍150 V≤μac≤250 V：③輸出恒定電流為3 A；④最大輸出電壓為38 V；⑤效率η≥85％；⑥輸出電流紋波△io≤100mA。
按照以上設(shè)計(jì)要求，制作了一臺(tái)樣機(jī)，其中，Np=76，Ns=19，合理地選擇線徑使初級(jí)能承受1 A電流，次級(jí)能承受4 A電流，Lp=800 μH，磁材為T(mén)DK PC40，尺寸EI40，Ae=144 mm2。功率MOSFET管型號(hào)選為T(mén)SF12N60M。初級(jí)側(cè)振蕩器R1=10 kΩ，C1=4．7 nF，功率管開(kāi)關(guān)頻率38 kHz，次級(jí)側(cè)電流檢測(cè)電阻R10=0．1 Ω，2 W的功率電阻，確保電流恒定在3A。
對(duì)樣機(jī)測(cè)試，滿足了當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)在空載和輕載時(shí)保持了良好的輸出恒壓特性，恒壓在38 V。在帶100 W燈負(fù)載時(shí)，輸出穩(wěn)定的3 A恒流如圖3a所示。燈上壓降為32 V，輸出電壓、電流波形的高頻毛刺很小，如圖3b所示，樣機(jī)工作在深度恒流區(qū)。在額定恒流3 A輸出時(shí)，η一度超過(guò)87．5％，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。帶燈測(cè)試如圖3c所示，在輸入電壓寬范圍變化時(shí)，都保持了較高的轉(zhuǎn)化效率，大于85％。
5 結(jié)論與展望
設(shè)計(jì)了一款針對(duì)100 W LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源，采用基于UC3843A的反激拓?fù)?/strong>，輸入端采用無(wú)源PFC，兼顧了效率、功率因數(shù)及成本，220 V／50 Hz市電輸入，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流輸出，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)接燈后燈無(wú)閃爍，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在大力推廣LED城市亮化工程，倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的今天，該驅(qū)動(dòng)電源具有很大的應(yīng)用前景。隨著當(dāng)前對(duì)電源體積及效率的要求越來(lái)越高，需要進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，增加能量密度，這需要改進(jìn)變壓器及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，由于增加開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加功率MOSFET的導(dǎo)通損耗，所以需要引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，這有待后續(xù)做進(jìn)一步研究。
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