一種大功率LED照明電源的應(yīng)用研究

梁奇峰，廖鴻飛，何薇薇

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山 528436）

一種大功率LED照明電源的應(yīng)用研究

梁奇峰，廖鴻飛，何薇薇

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山 528436）

0 引言

全球能源緊張，環(huán)境惡化，節(jié)能減排成為全球主旋律, 照明節(jié)能刻不容緩。LED由于節(jié)能，環(huán)保等進(jìn)入照明市場，尤其是道路照明[1]具有巨大的潛力和發(fā)展前景。LED工作時需要恒流驅(qū)動，如果驅(qū)動電源精度不高，性能不穩(wěn)定將導(dǎo)致LED燈光衰，失效，損壞。目前LED燈具故障80%源于驅(qū)動電源的可靠性問題，尤其是在大功率LED照明電源中顯得更為突出，照明電源也會引起電磁干擾、功率因數(shù)低及效率低等問題。

大功率LED照明電源（輸出功率在90W以上）通常采用兩級電路結(jié)構(gòu)—PFC和DC-DC變換器。PFC電路一般工作于臨界導(dǎo)電模式。然而，要求儲能電容的容值較大，電感的峰值電流很大，對功率器件的要求很高，并且EMI濾波器尺寸大；在輕載時，功率因數(shù)不高。DC-DC變換器通常采用反激、正激和半橋變換器。對于反激變換器而言，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，適合用于多路輸出的場合，變壓器漏感需要吸收電路，效率不高，反激變壓器的工作方式?jīng)Q定了反激變換器只能用在功率輸出小于100W的場合；對于正激變換器而言，需要增加磁復(fù)位電路，增加了電路的復(fù)雜性，并且變壓器的利用率不高，功率MOS管工作于硬開關(guān)狀態(tài)，損耗很大，整個電路的工作效率不高。對于半橋變換器，目前主要采用LLC諧振技術(shù)，使MOS管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，并且副邊整流不需要濾波電感，適當(dāng)提高了整體電路的效率。

本文采用PFC+半橋LLC諧振和輸出恒壓/恒流電路結(jié)構(gòu)來驅(qū)動大功率LED，基于PLC810PG控制芯片，設(shè)計(jì)并制作了一臺輸出150W的照明電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此電路方案有效的改善了功率因數(shù)和效率，提高了照明電源的可靠性。另外，PFC和LLC控制器集成在一個芯片中，減少外部元件，從而節(jié)約了照明電源的成本。

1 采用PLC810PG控制的150W照明電源

基于PLC810PG控制的150W照明電源如圖1所示。輸入EMI整流、PFC功率級和輔助電源如圖1(a)所示，L3、Q3、D2、C11和C9組成boost變換器，即功率因數(shù)校正的功率電路，Q1、Q2、和R7組成互補(bǔ)三極管驅(qū)動電路，R8和R6用于檢測輸入電流，輸入到控制芯片的ISP引腳，D3和D4的作用是對電流檢測電阻R6和R8進(jìn)行箝位，在浪涌期間為控制器IC提供電流檢測輸入保護(hù)。L3的輔助繞組Na、D12、D10、C6、C8、R11、R16、Q5、VR3、和C12組成輔助電源，給控制芯片提供正常工作電壓，R17、R20、Q7、VR2、R10和D11組成啟動電源，給芯片提供啟動電壓。電路進(jìn)入正常工作之后，關(guān)斷Q7。

PFC和半橋LLC的控制電路如圖1(b)所示。PFC的輸出電壓經(jīng)R39-41和R50反饋到FBP引腳，即誤差放大器的同相輸入端，其反相端是一個2.2V的基準(zhǔn)電壓。一個10nF的電容（C25）用于濾波噪音。R48、C28、C26為PFC電壓誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，R45和C24對來自ISP端電流檢測信號進(jìn)行濾波。PFC驅(qū)動信號經(jīng)由電阻R44送到開關(guān)管Q3，這樣可抑制PFC驅(qū)動信號中由PLC810PG和PFC柵極驅(qū)動電路之間的走線長度而引起的振蕩。Q8、Q9、變壓器T1和諧振電容C39組成半橋LLC變換器，變壓器T1有一個內(nèi)在的大容量漏感Lr，與C39共同作用，形成串聯(lián)諧振回路。電阻R59檢測半橋LLC變換器的初級電流以提供過載保護(hù)。C23、R42和D8為LLC高端MOSFET驅(qū)動器提供自舉電源，半橋LLC變換器的輸出檢測誤差放大器電路的反饋由光耦U7和恒流恒壓芯片U5提供。電阻R54是光耦器負(fù)載。二極管D16允許光耦器僅上拉LLC反饋引腳（FBL），此引腳是穩(wěn)壓反饋引腳，在正常工作條件下吸收電流，通過光耦器U7來調(diào)節(jié)流入其電流。光耦器U7B通過電阻R54、R53、R51、R49和C27組成的電阻網(wǎng)絡(luò)連接到FBL引腳。C27僅在軟啟動期間有作用，C36是濾波電容，可以降低光耦器長走線產(chǎn)生的噪音。（R51+R49）的值可設(shè)定FBL引腳最小電流并隨之設(shè)定LLC的最小頻率fmin（在光耦器關(guān)斷的情況下），F(xiàn)BL引腳的最大電流（由R53、R51、R49設(shè)定）控制LLC最大頻率fmax（在光耦器完全飽和時）。

本文設(shè)計(jì)的副邊檢測、反饋電路使用含雙運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓芯片TSM103W及光耦器U7A進(jìn)行輸出穩(wěn)壓和穩(wěn)流，電路如圖1(c)所示。

圖1 基于PLC810PG的150W照明電源電路

輸出電壓通過R66、R21、R58分壓之后，經(jīng)過芯片內(nèi)部形成基準(zhǔn)電壓，作為恒流和恒壓的基準(zhǔn)，通過R70和R71采樣輸出電流，經(jīng)過由R68和C13組成的低通濾波器輸入到U5的引腳6，與引腳5的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較去控制光耦器U7的導(dǎo)通情況，從而達(dá)到恒流的目的。LLC變換器輸出48V通過電阻R73和R74進(jìn)行檢測。電阻R62為主增益設(shè)定電阻，R67和C47為電壓環(huán)路補(bǔ)償元件。

2 電路主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)

本款輸出150W照明電源應(yīng)用于驅(qū)動大功率LED，電源設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電源設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 PFC電路功率器件的選擇

根據(jù)上述電路工作原理的分析，PFC工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，boost PFC電感L3、開關(guān)管Q3及升壓二極管D2可根據(jù)公式（1）～（7）來確定。

輸入峰值電流：

PFC電感上的最大紋波電流：

最大占空比Dmax：

PFC電感值L3：

通過升壓二極管D2的平均電流值：

通過開關(guān)管Q3的平均電流值：

PFC輸出電壓紋波(VBulk_ripple)的頻率為兩倍的交流輸入頻率，即2×fL，其幅值由PFC輸出電流和輸出濾波電容C9來決定，滿足下列關(guān)系式：

將表1中的參數(shù)代入式（1）～（7），可以求出升壓電感L3為1.5mH。分別選擇SPP11N60C3（650V/11A）的開關(guān)管Q3、STTH506B（600V/5A）的二極管D2、120μF/450V的輸出濾

波電容C9。根據(jù)選擇磁芯的方法AP法，選取升壓電感磁芯型號為TDK公司的PQ32/20。

2.2 PFC控制電路的設(shè)計(jì)

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個引腳（除接地端外），是目前引腳最少的CCM PFC控制器，包括輸入電流檢測引腳3(ISP)、輸出PWM波引腳6(GATEP)、輸出電壓檢測引腳23(FBP)、電壓環(huán)誤差放大輸出引腳1(VCOMP)。

電感電流通過檢測電阻R6和R8，輸入到ISP引腳，平均電感電流（經(jīng)過數(shù)個開關(guān)周期測得）用于PFC控制算法，該引腳也執(zhí)行逐脈沖電流限制功能，提供過流保護(hù)。PFC其他控制電路的作用在第1節(jié)已分析過了。下面主要分析電壓環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)，電壓環(huán)路如圖2所示。

圖2 PFC電壓環(huán)路

須考慮到輸出電壓中包含著頻率為2倍交流輸入頻率的紋波。因而所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路頻率響應(yīng)的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)小于100 Hz，用以抑制100 Hz左右的紋波，一般情況，電壓環(huán)的穿越頻率在10～20Hz。

引腳1外接電壓環(huán)補(bǔ)償電路中的誤差放大器是一種跨導(dǎo)型的放大器。誤差放大器的傳遞函數(shù)：

式中，s=jω，GM是OTA的跨導(dǎo)，其典型值為85μA/V。

按照工程上的應(yīng)用C26>>C28，要滿足電壓環(huán)的穿越頻率在10～20Hz，通常取fCZ≈7Hz。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，得R48=2.2kΩ，C26=10μF，C28=22nF。

2.3 LLC諧振回路的設(shè)計(jì)

LLC諧振變換器的交流等效電路[6]如圖3所示。Rac為實(shí)際負(fù)載RL折射到原邊的等效電阻，即：

式中，n為原邊和副邊一半的匝數(shù)比。電路中有兩個諧振頻率：并聯(lián)諧振頻率fp和串聯(lián)諧振頻率fr，其表達(dá)式分別為：

令Lp=Lr+Lm，m=Lp/Lr，在典型LLC諧振變換器中m值介于3和7之間[2]。

串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q：

圖3 LLC諧振變換器的交流等效電路

由圖3可知，電壓增益M[2]：

式中，VRLF是副邊整流電壓傅立葉級數(shù)分解的基波分量，VdF是諧振變換器輸入電壓傅立葉級數(shù)分解的基波分量。

當(dāng)變換器工作頻率等于串聯(lián)諧振頻率fr時，電壓增益M為1，則n=4。令fr=100KHz，fp=55KHz，m=5時，在不同品質(zhì)因數(shù)下LLC諧振變換器的增益曲線如圖4所示。

圖4 LLC諧振變換器的增益曲線

由圖4可知，在串聯(lián)諧振頻率fr附近，當(dāng)負(fù)載變化時，也就是Q變化時，增益M隨頻率變化較小，實(shí)際設(shè)計(jì)中的LLC諧振變換器應(yīng)工作在此區(qū)域。在典型LLC設(shè)計(jì)中，滿載時Q值大約為0.4～0.5[2]。諧振參數(shù)Lr、Lp和Cr求解如下：

諧振電感Lr和LP根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)適當(dāng)調(diào)整。

2.4 LLC變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)上述諧振回路參數(shù)的設(shè)計(jì)，變壓器的初步參數(shù)如下：n=4，Lm=Lp-Lr=458.2μH，Lr=114.5μH。變壓器采用磁集成式，也就是漏感作為諧振電感Lr，不采用獨(dú)立的諧振電感。采用Y法來確定磁芯規(guī)格，選取磁芯型號為EER4215，其Ae=194mm2。變壓器的最壞設(shè)計(jì)是在最低開關(guān)頻率下，而在最小輸入電壓，滿載輸出情況下，開關(guān)頻率最低。變壓器原邊最小匝數(shù)[2]：

選擇一個Ns1，使nNs1大于Npmin。那么，Ns1=8，Np=32>28.6。則選取原邊32匝，輸出48V的副邊繞組16匝，輸出12V的副邊繞組4匝，其他參數(shù)根據(jù)照明電源的參數(shù)來求解。

由于漏感較高，因此需要使用利茲線來降低強(qiáng)漏磁通引起的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)所造成的銅損。

2.5 LLC反饋電路設(shè)計(jì)

LLC諧振變換器的控制電路是由圖5中的電阻、電容和光耦U7B來構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)對LLC變換器進(jìn)行控制。

R54是與光耦器串聯(lián)的主要負(fù)載電阻。選取1.8KΩ的電阻值將獲得較佳的頻率響應(yīng)，并可獲得約為2mA的集電極最大負(fù)載電流。啟動時的初始頻率fstart，通常取值等于或小于fmax。R51用來設(shè)定初始頻率，由圖6可知，開關(guān)頻率132KHz對應(yīng)的電阻值為22KΩ，即R51=22KΩ。

圖5 LLC反饋電路

LLC在最低輸入電壓，滿載條件下進(jìn)行調(diào)整時所需的頻率最低，fmin由（R51+R49）決定。本設(shè)計(jì)所需的fmin為57KHz。由圖6可知，開關(guān)頻率57KHz對應(yīng)的電阻值為78KΩ，即R51+R49=78KΩ，因此R49=56KΩ。

IFBLmax是在光耦器飽和時流入FBL引腳的電流。它代表反饋環(huán)路可通過FBL引腳進(jìn)行控制的最大頻率fmax。由圖5可知，VR53由下式來表示。

根據(jù)IFBL與頻率之間的關(guān)系，可以求出IFBLmax，從而求出R53的值。在本設(shè)計(jì)中，R53取19KΩ。

圖6 從FBL到VREF引腳的上拉電阻與開關(guān)頻率的比例關(guān)系

C27來執(zhí)行LLC軟啟動，LLC以高頻啟動，然后下降直至達(dá)到輸出穩(wěn)定。C27的大小決定軟啟動時間，本電路設(shè)計(jì)中取1μF，軟啟動時間約15.8ms。

2.6 其他LLC元件和輸出反饋電路的設(shè)計(jì)

LLC諧振變換器中的MOSFET，輸出整流二極管，驅(qū)動電路和自舉電路等，根據(jù)輸出的功率、效率和PLC810PG的數(shù)據(jù)手冊來設(shè)計(jì)。輸出恒壓和恒流檢測和反饋電路采用芯片TSM103和光耦U7A，設(shè)計(jì)的電路及參數(shù)如圖1(c)所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于PLC810PG控制芯片，設(shè)計(jì)了一臺輸出150W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。150W LED照明電源主要參數(shù)如表1所示。負(fù)載所用的LED采用科銳公司（英文名：CREE）的XR-M3，其電氣參數(shù)如下：正常工作電流：350mA～700mA，最大支持1000mA；典型電壓值3.6V(350mA)，3.72V(520mA)。

考慮到LED的伏安特性及開關(guān)電源輸出功率在150W左右，LED光源陣列采用78顆XR-M3，13串6并的方案。

輸入電壓為230V，輸出150W和75W時，輸入電壓/電流波形如圖7所示，從圖中可以看出，輸入電流近似于正弦波，功率因數(shù)可達(dá)到0.99，諧波畸變小于5%。解決了電磁干擾（EMI）的問題以滿足各國的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、電磁兼容和環(huán)保等要求；不同輸出功率時半橋原邊電壓和電流波形實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示，從圖中可以看出，LLC半橋諧振變換器在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的軟開關(guān)。整機(jī)效率在滿載輸出時可達(dá)到87%以上，達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)束語

本文采用PFC+半橋LLC諧振和恒壓/恒流電路結(jié)構(gòu)來驅(qū)動大功率LED?；赑LC810PG控制方案制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該LED照明電源方案具有高效率、高功率因數(shù)和低成本等，證明了該方法的可行性，并可應(yīng)用到輸出150W大功率LED照明電源中。

圖7 輸入電壓/電流波形

圖8 不同輸出功率時半橋原邊電壓和電流波形

[1]李文宜,張萬路,江磊,劉木清.LED應(yīng)用于道路照明的探討[J].2008中國道路照明論壇論文集,2008,39(2):77-80.

[2]Fairchild Semiconductor. Half-bridge LLC resonant Converter Design Using FSFR-series Power Switch，Application Note AN-4151,2009,Rev1.0.2

[3]Datasheet of Cree XR-M3,http://www.cree.com.cn/.

[4]Power Integrations. PLC810PG Continuous Mode PFC& LLC Controller with Integrated Half-bridge Drivers datasheet, 2009.8,

[5]datasheet of TSM103W,http://www.st.com/.

[6]趙磊.LLC諧振變換器的研究[D].西南交通大學(xué),2008.6:12-15.

Research on a high power supply for LED lighting

LIANG Qi-feng，LIAO Hong-fei，HE Wei-wei

根據(jù)LED工作的特點(diǎn)及大功率LED照明電源的要求，本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于PLC810PG控制的大功率LED照明電源。對此電源的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵元件參數(shù)進(jìn)行了分析，并制作了一臺輸出150W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，整機(jī)效率在滿載輸出時可達(dá)到87%以上，功率因數(shù)可達(dá)到0.99，諧波畸變低于5%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可行，性能指標(biāo)達(dá)到大功率LED照明電源的要求。

功率因數(shù)校正；LLC諧振變換器；照明電源

梁奇峰（1979 -），男，湖北咸寧人，工程師，講師，碩士，主要從事DC-DC模塊電源、LED驅(qū)動電源的研究以及職業(yè)教育。

TN713

A

1009-0134(2014)06(上)-0132-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).38

2014-03-06

廣東省中山市工業(yè)攻關(guān)科技項(xiàng)目：智能化大功率LED照明電源的應(yīng)用研究（20114A228）