一種高轉(zhuǎn)換效率高功率因素的大功率LED電源研究

　摘 要 大功率LED 照明驅(qū)動(dòng)電源對(duì)LED 燈具整體的效能、壽命、維護(hù)成本有直接的影響，高轉(zhuǎn)換效率、高功率因素、簡(jiǎn)化線(xiàn)路、高可靠性、減少電磁污染是對(duì)高性能LED 驅(qū)動(dòng)電源的主要挑戰(zhàn)。本文探討了一種基于PLC810PGPFC 控制芯片PFC+LLC 結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，滿(mǎn)載工作情況下電源輸入輸出轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到92%，電源功率因數(shù)可達(dá)到98%，具有集成度高、元件少、可靠性高的特點(diǎn)，能推廣用于80W~150W 的LED 照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源。

　　0 引言

　　LED 照明與其他照明相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）發(fā)光效率高，耗能少，而且光的單色性好、光譜窄；2）使用壽命長(zhǎng)，LED 的使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)近十萬(wàn)小時(shí)；3）安全環(huán)保；4）啟動(dòng)時(shí)間短；5）體積小。

　　大量的LED 路燈需要配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源，因此研制高效率高功率因數(shù)的LED 驅(qū)動(dòng)電源也具有龐大的需求和廣闊的市場(chǎng)前景。

　　本文根據(jù)杭州某家照明燈具廠(chǎng)商的要求，開(kāi)發(fā)研制一種適用于80W~150W 的 LED 照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源，要求有較高電源輸入輸出轉(zhuǎn)換效率和較高的電源功率因數(shù)，可靠性高、符合IEC-61000 標(biāo)準(zhǔn)。

　　1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

　　當(dāng)采用開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，必須滿(mǎn)足IEC61000-3-2 等標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于D 類(lèi)設(shè)備電流諧波限制性規(guī)定，同時(shí)還必須符合對(duì)C 類(lèi)（照明）設(shè)備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規(guī)范對(duì)功率因數(shù)（PF）不能低于0.9 的要求。為達(dá)此目的，LED 路燈電源必須采用功率因數(shù)校正（PFC），同時(shí)還要求采用支持相應(yīng)功率的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　目前AC/DC 恒流源驅(qū)動(dòng)IC 正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋（LLC）+PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（ZVS）的優(yōu)勢(shì)，和滿(mǎn)足LED 燈具對(duì)PFC（功率因素較正）日益提高的要求，并要求能提高效率>90%。寬電壓輸入、短路和過(guò)功率保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)、較低的總諧波失真（THD）是基本的要求。

　　傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。

　　BOOST 采用主動(dòng)式有源功率因數(shù)校正（APFC）電路，工作在連續(xù)模式，諧波電流和開(kāi)關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。DC/DC 采用半橋LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，元器件數(shù)量有限，諧振儲(chǔ)能（tank）元件能夠集成到單個(gè)變壓器中，因此只需要1 個(gè)磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級(jí)開(kāi)關(guān)都可以工作在零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）條件，而次級(jí)二極管可以采用零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）工作，沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。

　　特別適用于中、高輸出電壓轉(zhuǎn)換器的高性?xún)r(jià)比、高能效和性能優(yōu)異的解決方案。

　　因此，主電路采用FPC（采用CCM方式）+LLC 二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　由于PLC810PG 同時(shí)集成了CCM 方式PFC 和LLC 控制器，特別適合本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的需求。

　　2 基于PLC810PG 的大功率LED 電源電路設(shè)計(jì)

　　基于PLC810PG 的大功率LED 電源電路圖如圖1 所示。

　　LED 驅(qū)動(dòng)電源分為輸入電路、PFC 升壓變換器和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)主要部分。

圖1 電源電路圖[!--empirenews.page--]

　　輸入電路部分主要由輸入濾波器、橋式整流器（BR1）等組成，C1~C6 和L1、L2 及R1~R3 組成EMI 濾波器。C1 和C5 連接在相線(xiàn)L 和中線(xiàn)N 之間，用于保護(hù)地（E），同時(shí)用于控制高頻（>30MHz）噪聲。C3 和C4 提供差模EMI 濾波。共模電感器L1、L2 控制低頻和中頻（<10MHz）EMI，C2 和C6 控制中頻區(qū)中的諧振峰值。當(dāng)交流（AC）電源切斷時(shí)，R1、R2 和R3 為EMI 電容放電提供通路，以滿(mǎn)足安全要求。

　　F1 是保險(xiǎn)絲，起短路保護(hù)作用。RV1 用作過(guò)電壓保護(hù)。RT1是NTC 熱敏電阻，在電路啟動(dòng)期間限制浪涌電流。當(dāng)電路啟動(dòng)之后進(jìn)入正常操作時(shí)，繼電器動(dòng)作，將熱敏電阻短路，由于RT1 沒(méi)有電流通過(guò)，使電路效率至少能提高1%。

　　PFC 升壓變換器主電路由L4、升壓二極管D2、PFC 開(kāi)關(guān)Q2、輸出電容C9、C11 等組成。在AC 輸入電壓范圍為140~265V 時(shí)，PFC 輸出直流（DC）升壓電壓（VB+）穩(wěn)定在385V，并且在橋式整流器BR1 輸入端產(chǎn)生正弦電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性的負(fù)載，線(xiàn)路功率因數(shù)接近于1。

　　PLC810PG 的PFC 部分采用無(wú)需正弦信號(hào)輸入?yún)⒖嫉耐ㄓ幂斎脒B續(xù)電流模式（CCM） 設(shè)計(jì)，從而減少了系統(tǒng)成本和外部元件。

　　Q1 和Q3 等組成Q2 的緩沖級(jí)。Q2 柵極和漏極分別串接了鐵氧體磁珠，可以改善EMI。

　　PFC 緩沖級(jí)Q1 選用60V、1A、采用SOT-23 封裝的FMMT491TA 型NPN 晶體管。 Q3 選用60V、1A、采用SOT-23 封裝的FMMT591TA 型PNP 晶體管。偏置電源中Q26、Q17選用40V、0.2A、采用SOT-23 封裝的NPN 型小信號(hào)晶體管MMBT3904LT1G。

　　PFC 開(kāi)關(guān)Q2 選用STW 20NM50FD，500V，20A，導(dǎo)通電阻0.22Ω，采用TO-247AC 封裝。

　　R6 和R8 是PFC 級(jí)電流傳感電阻。連接在R6 和R8 上的二極管D3 和D4，在浪涌期間箝位（箝位電壓為D3 和D4 的正向壓降，約0.7V×2=1.4V），R6 和R8 上的電壓以保護(hù)U1（PLC810PG）的電流感測(cè)輸入。

　　在系統(tǒng)加電時(shí)，對(duì)C9 的充電電流通過(guò)二極管D1，而沒(méi)有浪涌電流通過(guò)L4，這就避免了L4 出現(xiàn)飽和的可能性。PFC 級(jí)輸入小電容C7 用作旁路高頻成分，C7 選擇低損耗丙乙烯電容器。電容C11 用作減小Q2、D2 和C9 等高頻環(huán)路元件的EMI。

　　LLC 諧振轉(zhuǎn)換器由LLC 輸入級(jí)與LLC 輸出級(jí)組成。Q10 和Q11 是LLC 轉(zhuǎn)換器的半橋高/ 低端MOSFET，它們由U1 經(jīng)電阻R56 和R58 直接驅(qū)動(dòng)。C39 是變壓器T1 初級(jí)諧振電容，它與T1初級(jí)形成諧振槽路。由于諧振電感器已結(jié)合進(jìn)T1 初級(jí)繞組線(xiàn)圈中，這種電路仍被稱(chēng)為L(zhǎng)LC 諧振槽路，而不將其稱(chēng)作LC 諧振槽路。

　　電容C40 被安置到鄰近的Q10 和Q11，用于旁路。

　　半橋開(kāi)關(guān)Q10 和Q11 選用IRFIB7N50LPBF 型N 溝道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC 封裝。

　　變壓器T1 次級(jí)輸出經(jīng)D9 和C37、C38 整流濾波提供48V 的輸出，為L(zhǎng)ED 路燈供電。T1 次級(jí)串接的鐵氧體磁珠，用作抑制高頻噪聲。

　　PLC810PG 中DC-DC 控制器驅(qū)動(dòng)LLC 諧振，這個(gè)變頻控制器可使MOSFET 在零電壓時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，從而消除大部分的開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。LLC 控制器的核心是一個(gè)電流控制的振蕩器，其頻率控制范圍支持電視機(jī)電源的傳統(tǒng)工作頻率。

　　為了確保零電壓開(kāi)關(guān)，PLC810PG 中LLC 開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間被嚴(yán)格控制在容差范圍之內(nèi)，并可通過(guò)一個(gè)外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。高低壓兩端的占空比緊密匹配，以提供平衡的輸出電流，從而降低輸出二極管的成本。

　　3 LED 驅(qū)動(dòng)電源測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品線(xiàn)路板連接LED 燈模組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：在滿(mǎn)載時(shí)，PFC 級(jí)效率PFC> 95%，LLC 級(jí)效率LLC>95%，系統(tǒng)總效率total>92%（AC200-265VAC）。由于LED 路燈電源帶有功率因數(shù)校正，在140VAC~220VAC 范圍內(nèi)，PF ≥ 0.98，LED 路燈電源傳導(dǎo)EMI 符合CISPR22B/EN55022B 規(guī)范要求，安全性滿(mǎn)足IEC950/UL1950 II 類(lèi)要求。