高功率因數(shù)大功率LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石宏偉 朱征宇 佘 杰

引言

LED（light emitting diode）具有發(fā)光效率高、功耗小、壽命長(zhǎng)、光污染小、光線質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近些年隨著大功率的LED發(fā)光技術(shù)的升級(jí)，大功率的白光LED越來(lái)越多的被應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域?？梢哉f(shuō)，作為新一代光源，LED的應(yīng)用已經(jīng)成為照明的發(fā)展方向。目前LED應(yīng)用的熱點(diǎn)之一是LED的道路照明。

LED路燈的電源控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是保證其功能和高效的重要基礎(chǔ)。文章結(jié)合大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一款基于PLC810PG的半橋LLC諧振式的LED路燈開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，把輸入分壓與半橋兩個(gè)開(kāi)關(guān)各自形成一路Boost電路，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正作用，后級(jí)采用LLC諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，提高了工作效率。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 輸入EMI濾波電路和橋式整流濾波電路

由于LED路燈功率較高，LED路燈電源不宜再沿用單開(kāi)關(guān)反激式電路，而必須采用支持相應(yīng)功率的電路拓?fù)?，例如半橋LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示，Q1和Q2是半橋開(kāi)關(guān)管（MOSFET），半橋諧振網(wǎng)絡(luò)中選用的是LLC結(jié)構(gòu)，Cr、Lr和變壓器T1初級(jí)繞組線圈Lm組成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)。Lb1、Q1、Dds2、Cb組成一路boost電路，Lb2、Q2、Dds1、Cb組成另一路boost電路，兩個(gè)boost電路工作在斷續(xù)模式下，作為天然的功率因數(shù)校正器。其中Lr為變壓器的漏感，Lm為變壓器的勵(lì)磁電感。

2.輸入EMI濾波電路和橋式整流電路

從頻率的角度看，EMI濾波器屬于低通濾波器。它能毫無(wú)衰減地把直流電和工頻交流電傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)電源，不但可以大大地衰減從電網(wǎng)引入的外部電磁干擾，還可以避免開(kāi)關(guān)電源設(shè)備本身向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響其他電子設(shè)備的正常工作。本設(shè)計(jì)中采用的EMI濾波器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

市電交流220V輸入后，經(jīng)由電容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模電感器L1、L2組成的輸入EMI濾波器濾波，R1～R3在交流電源切斷時(shí)為電容放電提供通路。熱敏電阻RT1用來(lái)在電源系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)限制浪涌電流。當(dāng)電路正常工作后，繼電器RL1將RT1旁路，RT1中幾乎無(wú)電流流過(guò)，不再有功率損耗，從而使電源效率提高1%～1.5%。BR1為橋式整流器，C7是濾波電容。

3.半橋LLC諧振電路

半橋雙電感加單電容（LLC）諧振轉(zhuǎn)換器能提供較大的輸出功率，保證半橋MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），具有較高的效率，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，Q1和Q2是半橋開(kāi)關(guān)（MOSFET），Cr、Lr和變壓器T1初級(jí)繞組線圈LM組成LLC諧振變換器。

本文設(shè)計(jì)的LED路燈照明用驅(qū)動(dòng)電源（圖3）中，Q1，Q2為半橋功率開(kāi)關(guān)管（MOSFET）。C39為諧振電容，變壓器T1的初級(jí)繞組與其構(gòu)成LLC諧振回路（通常將圖1中的Lr結(jié)合進(jìn)變壓器初級(jí)之中，對(duì)于圖3所示的電路拓?fù)洌苑Q(chēng)作LLC諧振結(jié)構(gòu)，而不稱(chēng)其為L(zhǎng)C諧振拓?fù)洌?。T1的次級(jí)輸出經(jīng)全波整流二極管、C37、C38整流濾波后產(chǎn)生52V直流電壓輸出，作為L(zhǎng)ED路燈模塊的電源驅(qū)動(dòng)。

圖3 PFC和LLC控制電路

3.1 電路主要元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的額定輸出功率100W，輸出電壓為52V，兩個(gè)boost電感的值可由表達(dá)式（1）計(jì)算得到：

由于輸出功率P0=ηPin，效率值為90%，一般母線電壓為1.2倍峰值輸入，由此可求出系統(tǒng)的兩個(gè)boost電感值。我們?cè)诋?dāng)系統(tǒng)工作在fr的頻率下來(lái)進(jìn)行分析，此時(shí)LLC電路的電壓增益為1，即可求出變壓器的匝比為

圖（3）中C39不僅起電容隔直的作用，也為負(fù)半周的諧振提供能量。且C39兩端最大電壓滿(mǎn)足

圖4 半橋中點(diǎn)電壓以及二極管Dr2電流波形

圖5 半橋開(kāi)關(guān)管Q1的電壓、電流波形

圖6 負(fù)載特性測(cè)試

其中fmax表示最大的開(kāi)關(guān)頻率，由表達(dá)式（3）可求出C39的值。由于系統(tǒng)工作頻率我們將fr取100kHz，則可求出系統(tǒng)中的Lr的值。

而由表達(dá)式（4）也可求出系統(tǒng)的勵(lì)磁電感取值。

最終取值為：

Lb1=Lb2=400μH，Lr=112μH，Lm=600μH，C39=22nF，

T1匝比為n=4。

3.2 LLC的變壓器T1的設(shè)計(jì)

變壓器T1使用ETD39磁心和18引腳骨架。先繞次級(jí)繞組，次級(jí)繞組使用175股40AWG（Φ為0.08mm）李茲線（即絞合線），從引腳10到引腳12，再?gòu)囊_11到引腳13各繞9匝，并覆蓋2層聚酯膜。初級(jí)繞組使用75股40AWG（Φ為0.08mm）絞合線，從7引腳開(kāi)始到9引腳結(jié)束，繞36匝，再繞2層聚酯膜。其電感量是820μH（±10%），漏感是100μH（±10%)。將分成兩部分的磁心插入骨架中對(duì)接在一起，在磁心外面用10mm寬的銅皮繞一層，用焊錫將接縫焊牢，再在銅皮與引腳2之間焊接一段Φ為0.5mm的銅線。在銅皮外部用聚酯膜覆蓋起來(lái)。

3.3 基于PLC810PG的LLC控制電路

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個(gè)引腳（除接地端外），是目前引腳最少的CCM PFC控制器。這種PFC控制器主要是由運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）、分立電壓可編程放大器（DVGA）和低通濾波器（LPF）、PWM電路、PFC MOSFET驅(qū)動(dòng)器（在引腳GATEP上輸出）及保護(hù)電路組成的。PFC控制器有兩個(gè)輸入引腳，即引腳ISP（3）和FBP（23）。FBP引腳是PFC升壓變換器輸出DC升壓電壓的反饋端，連接OTA的同相輸入端。OTA輸出可視為是PFC控制器等效乘法器的一個(gè)輸入。OTA在引腳VCOMP（1）上的輸出，連接頻率補(bǔ)償元件。反饋環(huán)路的作用是執(zhí)行PFC輸出DC電壓調(diào)節(jié)和過(guò)電壓及電壓過(guò)低保護(hù)。IC引腳FBP的內(nèi)部參考電壓VFBPREF=2.2V。如果引腳FBP上的電壓VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC則提供過(guò)電壓（OV）保護(hù)，在引腳GATEP上的輸出阻斷。如果電壓不足使VFBP＜VIN（L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC電路則被禁止。如果VFBP＜VSD（L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC級(jí)將關(guān)閉。PLC810PG的ISP引腳是PFC電流傳感輸入，用作PFC算法控制并提供過(guò)電流（OC）保護(hù)。PFC在ISP引腳上的過(guò)電流保護(hù)（OCP）解扣電平是-480mV。

設(shè)計(jì)的電路中52V的輸出由R67、R66采樣，經(jīng)穩(wěn)壓器U3，光電耦合器U2及R54、D16、R53等反饋到U1的FBL引腳，來(lái)執(zhí)行輸出電壓調(diào)節(jié)和過(guò)電壓保護(hù)。流入引腳FBL的電流越大，LLC級(jí)開(kāi)關(guān)頻率也就越高。最高開(kāi)關(guān)頻率由U1引腳FMAX與VREF之間的電阻R52設(shè)定。R49、R51、R53設(shè)置下限頻率。C27是LLC級(jí)軟啟動(dòng)電容，軟啟動(dòng)時(shí)間由C27和R49，R51共同設(shè)定。

R59是T1初級(jí)電流感測(cè)電阻。R59上的電流感測(cè)信號(hào)經(jīng)R47、C35濾波輸入到U1的ISL引腳，以提供過(guò)電流保護(hù)。

偏置電壓VCC經(jīng)R37、R38分別加至U1的VCC和VCCL引腳，將U1模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)。R55和鐵氧體磁珠L(zhǎng)7，在PFC與LLC地之間提供隔離。U1內(nèi)半橋高端驅(qū)動(dòng)器由自舉二極管D8、電容C23和電阻R42供電。Q10和Q11散熱器經(jīng)C78連接到初級(jí)地（B-）。

4.PFC功率因數(shù)校正電路

L4、PFC開(kāi)關(guān)（MOSFET）Q3、升壓二極管D2和輸出電容C9等組成PFC升壓變換器主電路。在140～265VAC輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定在385VDC（B+與B-之間），并在BR1輸入端產(chǎn)生正弦AC電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性負(fù)載，線路功率因數(shù)（PF）幾乎等于1。晶體管Q4、Q5等組成Q3的緩沖級(jí)。R6和R8是PFC級(jí)電流傳感電阻，二極管D3、D4在浪涌期間箝位R6和R8上的電壓（即兩個(gè)二極管上的正向壓降）。

4.1 PFC升壓電感器的設(shè)計(jì)

PFC升壓電感器L4使用PQ32/20磁心和12引腳骨架，L4主繞組使用#20AWG（美國(guó)線規(guī)，約＜0.8mm）絕緣磁導(dǎo)線，從引腳1開(kāi)始到引腳6終止，繞35匝，電感量是580μH（±10%)。在主繞組外面繞一層作絕緣用的聚酯膜。偏置繞組使用#28AWG（＜0.3mm)絕緣導(dǎo)線從引腳8開(kāi)始繞2匝，到引腳7結(jié)束。在該繞組線圈外面繞3層聚酯膜。在磁心上包裹一層銅箔，并用＜0.5mm銅線將銅箔與9引腳焊接起來(lái)，作為屏蔽層。在銅箔外面再繞3層聚酯膜。

4.2 基于PLC810PG的PFC控制電路的設(shè)計(jì)

U1引腳GATEP上的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)PFC開(kāi)關(guān)Q3。R6和R8上的電流傳感信號(hào)經(jīng)R45，C73濾波輸入到U1引腳ISP，來(lái)執(zhí)行PFC算法控制，并提供過(guò)電流保護(hù)。PFC輸出電壓VB+經(jīng)R39～41、R43、R46和R50取樣，并經(jīng)C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP，來(lái)執(zhí)行PFC輸出電壓調(diào)節(jié)和過(guò)電壓以及電壓過(guò)低保護(hù)。U1引腳VCOMP外部R48，C26，C28為頻率補(bǔ)償元件。當(dāng)引腳VCOMP上的信號(hào)較大時(shí)，Q20導(dǎo)通，將C26旁路，可使PFC控制環(huán)路能夠快速響應(yīng)。

5.實(shí)驗(yàn)研究

在本文以上分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，試制了一臺(tái)100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：?jiǎn)蜗噍斎腚妷篣in=220V（50Hz），輸出功率Po=100W，工作頻率fr=100kHz，負(fù)載為歐司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。

圖4所示為中點(diǎn)電壓Vds2與副邊二極管Dr2的電流波形，由圖可知如圖4（a），很明顯在二極管關(guān)斷前其電流已經(jīng)到零，則二極管工作在ZCS狀態(tài)，此時(shí)工作頻率為90kHz；圖4（b）為在二極管關(guān)斷時(shí)，二極管電流恰好為零，此時(shí)系統(tǒng)工作在fr的工作頻率上，fr為100kHz；圖4（c）為在二極管關(guān)斷前，二極管電流并不為零，此時(shí)副邊的二極管失去了其ZCS特性，系統(tǒng)工作頻率為125kHz。

圖5所示為半橋開(kāi)關(guān)管Q1的電壓、電流波形，由圖可知開(kāi)關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)。

圖6為100W樣機(jī)測(cè)試波形，當(dāng)其由45%～100%負(fù)載變化時(shí)，其PF大于0.96；THD在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足IEEE519以及IEC61000－3－2標(biāo)準(zhǔn)；效率在87.2%～91.1%間變化，當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)載時(shí)，其效率高達(dá)91.1%，母線電壓由490V變?yōu)?75V，滿(mǎn)載時(shí)，母線電壓為375V，紋波電壓為5V，紋波頻率為100Hz，由于輸入為交流220V，則其交流輸入電壓峰值為311V，母線電壓只略高于輸入，不會(huì)達(dá)到二倍峰值輸入，系統(tǒng)輸出電壓為52V，滿(mǎn)載時(shí)紋波為1V。

結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種適用于LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源。由于LLC的應(yīng)用使系統(tǒng)能夠工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，提高了系統(tǒng)的工作效率。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在滿(mǎn)載時(shí)功率因數(shù)達(dá)0.992，THD為6.5%，效率高達(dá)91.1%。最后試制了樣機(jī)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。

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