基于高功率因數(shù)諧振網(wǎng)絡(luò)的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

楊燕

（廣東省中山市第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東省中山市 528478）

1 序言

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)于照明需求也在不斷變得多樣，傳統(tǒng)光源越來越不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，更讓多樣化的LED 逐漸開始取代傳統(tǒng)光源的作用。LED 擁有傳統(tǒng)光源所不具備的高效、節(jié)能、無毒和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。電源是LED 設(shè)備的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)電源的效率決定了LED 照明產(chǎn)品的質(zhì)量，基于當(dāng)前實(shí)際需求，LED 驅(qū)動(dòng)電源主要向著功率密度大、工作效率高和電源體積小的方向發(fā)展，但是因?yàn)長(zhǎng)ED 的特殊性質(zhì)，容易出現(xiàn)大量的濾波電容污染電網(wǎng)，所以高功率因數(shù)的LED 也成為了當(dāng)前LED 驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展方向。

2 LED驅(qū)動(dòng)電源工作原理與工作特性分析

2.1 燈具用途

本次設(shè)計(jì)的LED 集成兩用燈具主要的用途是用于照明和應(yīng)急效果，依照所使用的目的不同來進(jìn)行編輯。本次選擇的是工廠車間的燈光效果，基于智能集成兩用燈具的實(shí)際功能，本次研究的對(duì)象是某汽車公司的A 工廠，該工廠于2000年正式運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)8車型45JPH 節(jié)拍的生產(chǎn)要求。每條生產(chǎn)線擁有涂裝車間、焊裝車間、裝配車間、總裝車間和車體分配中心等區(qū)域，本次研究主要集中在某生產(chǎn)線的裝配車間。該車間占地面積6510 平方米，有多臺(tái)專業(yè)設(shè)備，如車銑中心、數(shù)控加工中心等，同時(shí)配有專業(yè)輔助設(shè)備?；趯?shí)際需求，工廠決定在AGV 合裝線、底盤線、內(nèi)飾線、最終線、PBS 線以及儀表盤線上安裝智能集成兩用燈具。

2.2 使用環(huán)境

企業(yè)車間可以概括為五個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)，這五個(gè)系統(tǒng)都需要密切使用LED 集成燈具。首先是建筑自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過對(duì)配電、排水、通風(fēng)和溫度的調(diào)控，建筑自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)是讓流水線的環(huán)境變得更加效率；其次是消防自動(dòng)化系統(tǒng)，消防自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)是讓流水線變得更加安全，通過對(duì)消防排火、排煙、報(bào)警和廣播系統(tǒng)的全面聯(lián)通，做到一旦有危險(xiǎn)能夠及時(shí)的反饋給其他人；第三是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)是讓企業(yè)車間內(nèi)的工作人員能夠加快工作效率，通過完成企業(yè)車間內(nèi)部管理系統(tǒng)的架構(gòu)，幫助企業(yè)車間快速完成信息共享；第四是綜合安保系統(tǒng)，綜合安保系統(tǒng)可以分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、三抄表系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)，保證企業(yè)車間內(nèi)部的財(cái)務(wù)和人身安全；最后是通信自動(dòng)化系統(tǒng)，通信自動(dòng)化系統(tǒng)負(fù)責(zé)串聯(lián)上述的四個(gè)系統(tǒng)，讓企業(yè)車間內(nèi)部外部的溝通更加順暢。綜上所述，企業(yè)車間能夠針對(duì)員工的安全提供保障，讓員工的體驗(yàn)更加舒適，建筑的運(yùn)作變得更加綠色節(jié)能，同時(shí)員工的流動(dòng)和通信也變得更加暢通，整個(gè)流水線的運(yùn)作管理變得更加高效。

2.3 電源控制模塊

基于上述工廠描述筆者決定使用相關(guān)驅(qū)動(dòng)電源充電控制模塊、智能集成驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)來對(duì)智能集成兩用燈具控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)依靠電壓來確定當(dāng)前是否處于車間生產(chǎn)之中，進(jìn)而決定兩用燈具的工作模式，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源控制模塊隨時(shí)間控制電池的電量問題，防止過度充電。智能集成驅(qū)動(dòng)電路則通過電流的抽樣來對(duì)PWM 進(jìn)行調(diào)整，并且通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓為12V、15V、18V 和21V 的多種用途。

2.4 驅(qū)動(dòng)電源

從上述的使用環(huán)境描述可以看出，本次研究的企業(yè)車間環(huán)境復(fù)雜，LED 光源使用的范圍廣泛，需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境不同做出相應(yīng)的變化。基于當(dāng)前車間的使用需求，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之處確定了脈沖寬度調(diào)制調(diào)光、可控硅調(diào)光和模擬調(diào)光三種智能控制模式。其中可控硅調(diào)光的技術(shù)條件最為成熟，但是有著功率因數(shù)低的問題，這主要是因?yàn)榭煽毓枵{(diào)光技術(shù)在使用過程中灰皮懷電流正弦波形，所以不適合應(yīng)用到電源系統(tǒng)功率因數(shù)高的場(chǎng)所；模擬調(diào)光技術(shù)適應(yīng)的場(chǎng)所更加廣泛，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^芯片的控制引腳或者串聯(lián)電阻的電阻值大小來改變負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)了LED 光源應(yīng)用的進(jìn)一步拓展。從實(shí)際車間的使用情況來看，LED 電源需要采用多通道進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相應(yīng)的輸出，并且對(duì)每個(gè)通道都進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，所以應(yīng)用模擬調(diào)光技術(shù)在本次設(shè)計(jì)中最為合適。模擬調(diào)光技術(shù)需要應(yīng)用的芯片也出現(xiàn)了很多的品種，需要根據(jù)實(shí)際電路的集成情況進(jìn)行針對(duì)性的挑選，具體芯片使用情況下文會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

3 基于高功率因數(shù)諧振網(wǎng)絡(luò)的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要求

3.1.1 系統(tǒng)要求

對(duì)于企業(yè)車間來說，驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定了整個(gè)企業(yè)車間的電氣工程質(zhì)量。通常驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)存在的問題主要在于高壓回路的設(shè)計(jì)，一旦高圧回路出現(xiàn)問題就會(huì)影響企業(yè)車間整體的驅(qū)動(dòng)電源方式。比如在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒有與時(shí)俱進(jìn)，而是采取手動(dòng)方式讓高壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)處于連續(xù)投入，而不是依照不同的等級(jí)對(duì)線路進(jìn)行規(guī)劃，就很容易阻礙驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的高效運(yùn)行，甚至對(duì)LED 照明配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生影響。

3.1.2 設(shè)備要求

在驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備方面，最常見的問題主要在于驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備的選擇出現(xiàn)問題。對(duì)于企業(yè)車間來說，驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備的選擇無疑決定了設(shè)計(jì)效果的質(zhì)量，但部分設(shè)計(jì)建設(shè)單位因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員的疏忽或者設(shè)計(jì)人員的失誤，無法科學(xué)合理的選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備。比如針對(duì)復(fù)式斷路器的選擇，一旦出現(xiàn)失誤就很容易造成實(shí)際使用中出現(xiàn)超重運(yùn)行的情況，進(jìn)而造成LED 照明設(shè)備的短時(shí)間失靈，如果在這種情況下發(fā)生火災(zāi)，LED照明電氣設(shè)備就無法得到有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，極大的增加了建筑的安全隱患。

3.1.3 電源監(jiān)控要求

在電源監(jiān)控方面，最常見的問題在于部分設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)單位對(duì)于電源監(jiān)控設(shè)備不夠重視，使得該設(shè)備在配電系統(tǒng)中處于缺位的情況。對(duì)于企業(yè)車間來說，因?yàn)槠渥陨黻P(guān)于LED 照明能力的弱勢(shì)，對(duì)于電源監(jiān)控設(shè)備的設(shè)置更為看重。一旦相關(guān)建筑未對(duì)電源箱配套相應(yīng)的電源監(jiān)控設(shè)備，就無法讓相關(guān)人員了解電力LED 照明設(shè)備的運(yùn)行情況，如果出現(xiàn)突發(fā)的火情或者其他問題，當(dāng)事人也無法及時(shí)的做出相應(yīng)判斷。同時(shí)部分企業(yè)車間的電氣工程未在發(fā)電機(jī)處設(shè)置自啟動(dòng)程序，如果斷電很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速驅(qū)動(dòng)電源，如果一旦發(fā)生火災(zāi)就只能通過管理人員的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行啟動(dòng)，這也為企業(yè)車間的LED 照明工作埋下了巨大的隱患，對(duì)建筑用戶的安全產(chǎn)生了相應(yīng)威脅。

3.2 PFC整流電路設(shè)計(jì)

企業(yè)LED 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于減少電磁干擾的產(chǎn)生。電磁干擾在LED 驅(qū)動(dòng)電源運(yùn)行過程中不可避免，作為驅(qū)動(dòng)電源安全的保障，降低電磁干擾設(shè)計(jì)關(guān)系著電網(wǎng)的使用安全，所以為了避免電磁干擾所造成的相關(guān)損失，需要確保驅(qū)動(dòng)電源降低電磁干擾設(shè)計(jì)的可靠運(yùn)行，保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源電磁干擾系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。此外降低電磁干擾設(shè)計(jì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)還需要滿足新技術(shù)的發(fā)展空間，讓驅(qū)動(dòng)電源的降低電磁干擾設(shè)計(jì)能夠滿足驅(qū)動(dòng)電源的不同需求，隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)，所以降低電磁干擾設(shè)計(jì)要具備較強(qiáng)的靈活性。同時(shí)降低電磁干擾設(shè)計(jì)的規(guī)劃還需要滿足電源使用的要求，滿足企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃原則，考慮到建設(shè)和維護(hù)的相關(guān)支出，驅(qū)動(dòng)電源降低電磁干擾設(shè)計(jì)需要在保證上述原則的情況下盡可能降低成本。

基于上述要求，筆者認(rèn)為需要設(shè)計(jì)相應(yīng)LED 驅(qū)動(dòng)電源PFC 整流電路，主要分為電路設(shè)計(jì)、變壓器設(shè)計(jì)、鉗位電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)四個(gè)方面。首先是濾波電路設(shè)計(jì)，本次選用的正橋型號(hào)為KBJ6J，承受的最大反向耐壓600，最大電流6A，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)小容值的高頻旁路電容將多余的高頻信號(hào)進(jìn)行濾除；其次是變壓器方面，變壓器設(shè)計(jì)為3 個(gè)繞組的變壓器，分別用于儲(chǔ)存、輸送、供電的變壓；第三是鉗位電路，鉗位電路用于截止MOS 管，為相應(yīng)的寄生電容快速充電；最后是控制電路，控制電路選擇L6562N 芯片，對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)整體的PFC 整流電路進(jìn)行調(diào)控。

3.3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電源的主要控制系統(tǒng)，LED 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)尤為重要。結(jié)合PFC 整流電路的設(shè)計(jì)，本次研究對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。本設(shè)計(jì)選用LM3464 芯片作為主控芯片，對(duì)芯片功能及外圍各電路模塊以及與PFC 整流電路的匹配進(jìn)行描述，完成主要器件的計(jì)算與選型。

3.3.1 控制芯片

LM3464 芯片是TI 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，專用于LED 驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體芯片。其具有四個(gè)獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)通道，集成了動(dòng)態(tài)余量控制技術(shù)、PWM 調(diào)光功能和熱反饋功能。LM3464 芯片的內(nèi)部邏輯分為兩點(diǎn)：

（1）通道啟用邏輯，當(dāng)芯片啟動(dòng)后，熱控制電路模塊將外部送入的PWM 信號(hào)和熱反饋信號(hào)調(diào)整處理后送入4 個(gè)獨(dú)立電流輸出通道，然后LM3464 還具有由芯片的GD1～GD4 引腳輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，分別控制各通道的啟用。其中，熱反饋信號(hào)由芯片VCC 引腳輸出的6V 線性電壓調(diào)節(jié)，芯片DMIN 引腳設(shè)置最小占空比，防止導(dǎo)通時(shí)間過短使LED 無法導(dǎo)通。同時(shí)芯片的DR1～DR4 引腳和SE1～SE4 引腳分別檢測(cè)4 個(gè)通道的漏極和源極電壓，并將此電壓信號(hào)反饋到動(dòng)態(tài)余量控制模塊和故障處理模塊。

（2）供電電壓調(diào)整邏輯，VIN 引腳為芯片供電電壓輸入端，同時(shí)該電壓也是LED 負(fù)載的正極電壓，芯片VDHC 引腳有0.9V的電壓余量，當(dāng)LED 負(fù)載電壓降低時(shí)，檢測(cè)到的漏極電壓將超過0.9V，動(dòng)態(tài)余量控制模塊會(huì)調(diào)整OutP 引腳的輸出電壓值，并通過外部電路進(jìn)一步降低電源電壓。芯片VDHC 引腳的電壓也可根據(jù)需要通過外部電路設(shè)置，其內(nèi)部控制邏輯不會(huì)改變。

3.3.2 啟動(dòng)電容

針對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際情況，本次研究選擇1μF 電容作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)電容。電容設(shè)計(jì)分為延遲響應(yīng)、OutP 引腳電壓變化率監(jiān)控、電容電壓上升三個(gè)步驟。電容根據(jù)MOS 管漏極電壓對(duì)自身的相應(yīng)層級(jí)分為第一層、第二層、第三層和頂層，將不同層級(jí)的電容對(duì)應(yīng)到不同時(shí)長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)本次研究還發(fā)現(xiàn)將表層的電容調(diào)整為不同參數(shù)后其會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的響應(yīng)，利用LM3464 芯片來對(duì)電容的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，更能夠節(jié)省投入，針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境下所出現(xiàn)的問題，本次研究采用了不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而得出最適用的實(shí)際方案。

3.3.3 動(dòng)態(tài)余量控制設(shè)計(jì)

首先是動(dòng)態(tài)余量控制設(shè)計(jì)能夠有效減少M(fèi)OS 管輸出電壓過程中的功耗浪費(fèi)情況，一方面基于LM3464 芯片設(shè)計(jì)了相應(yīng)的余量控制模塊，能夠根據(jù)電路的填充自由進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，另一方面此類設(shè)備還配備專門的判斷模塊，提高電源使用效率的同時(shí)能夠有效地降低電源使用過程中的變形風(fēng)險(xiǎn)；其次是動(dòng)態(tài)余量控制設(shè)計(jì)采用了非降低輸出電壓的方式，而是采取匹配電壓的模式，相對(duì)傳統(tǒng)的降低輸出電壓能夠明顯的提高整體電源使用工作的效率；第三是動(dòng)態(tài)余量控制設(shè)計(jì)中的電壓控制應(yīng)用能量密度較大，能夠快速完成電源使用，從而減小實(shí)際的影響區(qū)域，提升整體電源使用過程的質(zhì)量。另外在LM3464 芯片中PWM 調(diào)光可以與熱反饋調(diào)光共存，電路中每個(gè)輸出通道的平均電流由調(diào)光占空比決定。PWM 調(diào)光電路可對(duì)LED 陣列提供靈活的亮度控制，而熱反饋調(diào)光則避免LED 發(fā)生熱故障。

4 總結(jié)

基于環(huán)保和節(jié)能需求，LED 市場(chǎng)在逐步擴(kuò)大的同時(shí)也在不斷進(jìn)行技術(shù)更新。為了降低諧波污染，高功率因數(shù)諧振網(wǎng)絡(luò)LED 驅(qū)動(dòng)技術(shù)是當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)，本文在對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，也用軟件對(duì)本次設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了研究，并且得到了積極的反饋，說明設(shè)計(jì)成果具備可行性。同時(shí)在研究過程中仍存在著一些不足，希望今后能夠繼續(xù)進(jìn)行此類方向的拓展，為我國(guó)LED 照明的應(yīng)用范圍進(jìn)行進(jìn)一步的拓展。