高壓直流作為輸入電壓的DC/DC驅(qū)動電源研究

田勝利

（甘肅紫光智能交通與控制技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730010）

1 引言

LED燈具在戶外公路和隧道照明的應(yīng)用日益普及，且隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED芯片性能不斷提高，價格持續(xù)下降，整燈價格也隨之下降。但是由于燈具從公共電網(wǎng)取電，而LED需要的是直流恒流電源，因此必然需要一個AC/DC驅(qū)動電源把電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為LED工作所需的電流。相比于LED技術(shù)，驅(qū)動電源技術(shù)的提升相對滯后，日益成為壽命和可靠性的瓶頸，且在整體價格中所占比例也在不斷提高。當(dāng)前LED的使用壽命已經(jīng)可以達(dá)到10萬小時，而驅(qū)動電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與之匹配，當(dāng)前最多做到5萬小時壽命。從已經(jīng)安裝的LED燈具分析，出現(xiàn)故障的燈具中80%是由于驅(qū)動電源故障。與此同時，驅(qū)動電源在整燈中所占比例已經(jīng)從早期的10%攀升到當(dāng)前的25%-30%。因此驅(qū)動電源急需在壽命、可靠性、成本等多個方面的指標(biāo)取得突破性進(jìn)展。

本文提出的一種基于多脈沖變壓整流技術(shù)的AC/DC變換電源方案，在不同功率的燈具側(cè)DC/DC驅(qū)動電源上分別選取了雙管反激和雙管正激的電源拓?fù)?，主要為了適應(yīng)寬輸入電壓范圍和寬輸出電流范圍，以及確保調(diào)光穩(wěn)定性。

2 國內(nèi)研究情況

LED隧道燈已在甘肅省高速公路隧道建設(shè)中大量使用，其供電模式為隧道供電高壓轉(zhuǎn)換為低壓，在燈具處采用AC-DC模塊直流供電。燈具的控制模式采用分段控制，即對燈具根據(jù)不同線路進(jìn)行開關(guān)控制。從實(shí)際運(yùn)行效果來看，采用傳統(tǒng)供電與控制模式對像LED隧道照明等這樣的直流供電系統(tǒng)進(jìn)行管理，在供電效率到管理模式效果并不好。這不僅影響了LED照明系統(tǒng)的可靠性，還大大增加了維護(hù)成本；現(xiàn)有隧道燈具管理模式是根據(jù)時間的變化對燈具開關(guān)進(jìn)行控制，從而提高燈具利用效率和照明效率，但是對單個燈具運(yùn)行狀態(tài)無法檢測，不能夠及時發(fā)現(xiàn)燈具故障，不具備智能化的功能。目前國內(nèi)主要采用280VDC-24VDC的變換器，主要電路形式為單級排布式和兩級排布式兩種方案。

圖1 變換電路

本課題計(jì)劃探討一種新型的驅(qū)動電源，以高壓直流供配電為基礎(chǔ)，在交流電網(wǎng)側(cè)通過一個特殊設(shè)計(jì)的自耦變壓器，在確保功率因數(shù)和總諧波含量（THD）指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下，把交流電壓轉(zhuǎn)換成一個高壓直流電壓，在隧道內(nèi)部以高壓直流電壓作為電力傳輸方式，從而直接給LED隧道燈供電，提高燈具的電源使用壽命；在每個燈具上安裝一個DC/DC變換器作為驅(qū)動電源，而且每個驅(qū)動電源可以通過高壓直流傳輸線作為載體，通過電力載波（PLC）進(jìn)行通訊，大幅度提高LED隧道照明系統(tǒng)的可靠性、智能化水平、電源轉(zhuǎn)換效率和降低整個工程造價，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

隨著半導(dǎo)體工藝水平不斷提高和不斷發(fā)展的電子產(chǎn)品的需要，目前業(yè)界將電源管理類IC分為三類：線性穩(wěn)壓器（LDO），DC-DC變換器和電容式DC-DC變換器。

兩級式方案相較于單級式方案，有更多拓?fù)溥x擇，更易于控制。

3 設(shè)計(jì)思路

下面針對模塊電源的小型化和降低損耗，從電路拓?fù)溥x擇、器件選擇等方面進(jìn)行討論。

十八脈沖自耦變壓整流方案，這種方案的輸出電壓標(biāo)稱值為540V，當(dāng)輸入的交流電壓變化范圍為+/-15%時，直流輸出范圍也會相應(yīng)地在+/-15%之間變化，因此其穩(wěn)態(tài)輸入電壓范圍是459V-621V。考慮到重載情況下線路末端的最低電壓有可能再減少10%，因此實(shí)際需要的輸入電壓范圍是413V-621V。這樣給DC/DC電源所規(guī)定的輸入電壓范圍定在400V-630V，其特點(diǎn)是電壓高，范圍寬。在普通AC/DC驅(qū)動電源中的DC/DC部分的輸入電壓基本為恒定電壓430V左右。因此從輸入電壓范圍角度，本文的DC/DC電源要求與普通AC/DC驅(qū)動電源的DC/DC部分有很大不同。

除此之外，關(guān)于調(diào)光的要求為：可以在額定電流的10%-100%之間進(jìn)行調(diào)光；當(dāng)調(diào)光指令低于10%時，自動關(guān)斷LED的輸出。其它要求包括：效率盡量高，輸出電流紋波盡量小，電源可靠性高，壽命長等。至于防水防塵、安規(guī)、電磁兼容、認(rèn)證要求等等一般要求與普通交流輸入的驅(qū)動電源是一致的。當(dāng)然還要求所選方案成本盡可能低。

3.1 雙管反激方案

從之前的分析可見，無論對于反激還是正激方案，主要的問題在于電壓應(yīng)力過高。為了降低電壓應(yīng)力，可以采用雙管方案。雙管反激的簡化原理圖如圖2所示。

圖2 雙管反激拓?fù)涫疽鈭D

除了反激電路的固有特點(diǎn)之外，雙管反激的優(yōu)點(diǎn)在于電壓應(yīng)力低，效率高。這個電路的MOS電壓應(yīng)力就是輸入電壓。在單管情況下，變壓器漏感的能量只能在吸收電路中消耗；在雙管情況下，漏感能量可以經(jīng)二極管反饋到輸入端。因此雙管反激的效率比單管高了很多。為了進(jìn)一步提高效率，雙管反激可以采用準(zhǔn)諧振開關(guān)的方案，不過這樣開關(guān)頻率就不能保持恒定，在大范圍調(diào)光情況下有可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。

不過盡管如此，雙管反激電路仍然是本課題中可以選取的方案之一。

3.2 雙管正激方案

另一個雙管方案就是雙管正激，其原理圖如圖3所示。

圖3 雙管正激拓?fù)涫疽鈭D

與雙管反激一樣，雙管正激電路的電壓應(yīng)力也是輸入電壓，而且也可以通過二極管把漏感能量回饋到輸入端，因此也是效率很高的電路。雙管正激采用定頻開關(guān)模式，且由于輸出電感的作用，其輸出電流紋波更小，更加穩(wěn)定，更加適合于大范圍調(diào)光的場合。雙管正激也是本課題可以考慮的方案之一。

與雙管反激相比，二者性能基本一致，雙管反激成本略低；雙管正激調(diào)光更穩(wěn)定。這兩個電路都可以在本課題中得到應(yīng)用。

4 DC-DC電源的應(yīng)用

表1 120W和35W電源基本參數(shù)

在祁家大山隧道LED照明項(xiàng)目中，應(yīng)用十八脈沖自耦變壓整流方案的路段包括120W和35W兩種驅(qū)動電源。為了試驗(yàn)兩種不同方案，在120W電源上應(yīng)用了雙管反激方案，在35W電源上應(yīng)用了雙管正激方案。兩種方案的輸出電流都是0.7A。對于調(diào)光的要求都是在10%-100%范圍內(nèi)無極調(diào)光，小于10%時自動關(guān)斷。

經(jīng)測試，這兩種方案的性能指標(biāo)如表1所示。

其中35W電源效率明顯低于120W電源，其原因并非由于采用了不同的電路拓?fù)?，而是因?yàn)殡娫垂β市?。即使采用相同的拓?fù)?，電源功率越小，效率越低，這是因?yàn)殡娫吹膿p耗包括轉(zhuǎn)換損耗和控制電路損耗。其中轉(zhuǎn)換損耗與功率正相關(guān)，控制電路損耗基本與功率無關(guān)。因此功率越小，控制電路損耗在總功率中占比越大，造成效率越低。

在這個項(xiàng)目實(shí)際工況的測量中，120W電源所帶實(shí)際功率在80-100W之間，因此效率比滿載的95.0%有所下降，約為94.0%；35W電源所帶實(shí)際功率為28W左右，因此效率比滿載的89.5%有所下降，約為88%。

在測試中還發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電源的效率與輸入電壓基本無關(guān)，也就是說輸出確定后，驅(qū)動電源的內(nèi)部損耗基本是一個常數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，這兩個電源的最大損耗都不超過7W。根據(jù)當(dāng)前的外殼設(shè)計(jì)，7W的內(nèi)部損耗引起的溫升有限，可以滿足室外65℃的高溫。

由于輸入紋波較小的直流電壓，因此輸入端不需要容量很大的電解電容；由于輸出端電流較小，輸出端也不需要大容量電解電容。因此在設(shè)計(jì)中可以保證這個應(yīng)用場合中不需要安裝高壓大電解電容。這樣就大大提高了電源的預(yù)期壽命。

5 結(jié)語

本文提出提出了一種基于漏失電壓直接檢測并利用數(shù)字電路檢測最大壓降的高效率自適應(yīng)DC-DC變換器。LED驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)隨著流過LED電流的不同，LED的正向?qū)妷阂膊煌?。因此，采用固定電壓會降低LED驅(qū)動的效率。本文LED驅(qū)動電源采用多增益DC-DC變換器，利用漏失電壓直接檢測LED最大壓降，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙反饋環(huán)路來控制DC-DC變換器LED驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了DC-DC變換器1×、1.5×和2×多模式自動轉(zhuǎn)換，并通過采用超低壓差電流調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化了模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)從而保證高效率。