對于一種高轉換效率高功率因素的大功率LED電源研究

大功率LED照明驅動電源對LED燈具整體的效能、壽命、維護成本有直接的影響，高轉換效率、高功率因素、簡化線路、高可靠性、減少電磁污染是對高性能LED驅動電源的主要挑戰(zhàn)。本文探討了一種基于PLC810PGPFC控制芯片PFC+LLC結構的驅動電源設計，滿載工作情況下電源輸入輸出轉換效率可達到92%，電源功率因數(shù)可達到98%，具有集成度高、元件少、可靠性高的特點，能推廣用于80W~150W的LED照明燈具的驅動電源。 　　0引言 　　LED照明與其他照明相比具有以下優(yōu)點：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，LED的使用壽命可以長達近十萬小時;3)安全環(huán)保;4)啟動時間短;5)體積小。 　　大量的LED路燈需要配套相應的驅動電源，因此研制高效率高功率因數(shù)的LED驅動電源也具有龐大的需求和廣闊的市場前景。 　　本文根據(jù)杭州某家照明燈具廠商的要求，開發(fā)研制一種適用于80W~150W的LED照明燈具的驅動電源，要求有較高電源輸入輸出轉換效率和較高的電源功率因數(shù)，可靠性高、符合IEC-61000標準。 　　1主電路拓撲結構選擇 　　當采用開關電源拓撲結構時，必須滿足IEC61000-3-2等標準關于D類設備電流諧波限制性規(guī)定，同時還必須符合對C類(照明)設備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規(guī)范對功率因數(shù)(PF)不能低于0.9的要求。為達此目的，LED路燈電源必須采用功率因數(shù)校正(PFC)，同時還要求采用支持相應功率的電源拓撲結構。 　　目前AC/DC恒流源驅動IC正從反激式拓撲結構轉向高效率諧振半橋(LLC)+PFC拓撲結構，以充分發(fā)揮零電壓開關拓撲結構(ZVS)的優(yōu)勢，和滿足LED燈具對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、短路和過功率保護、開路保護、較低的總諧波失真(THD)是基本的要求。 　　傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術復雜、設計步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設計時往往要在性能和成本之間進行折衷。 　　BOOST采用主動式有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，工作在連續(xù)模式，諧波電流和開關管電壓電流應力小。DC/DC采用半橋LLC串聯(lián)諧振轉換器，元器件數(shù)量有限，諧振儲能(tank)元件能夠集成到單個變壓器中，因此只需要1個磁性元件。在所有正常負載條件下，初級開關都可以工作在零電壓開關(ZVS)條件，而次級二極管可以采用零電流開關(ZCS)工作，沒有反向恢復損耗。 　　特別適用于中、高輸出電壓轉換器的高性價比、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二級拓撲結構。 　　由于PLC810PG同時集成了CCM方式PFC和LLC控制器，特別適合本系統(tǒng)方案設計的需求。 　　2基于PLC810PG的大功率LED電源電路設計 　　基于PLC810PG的大功率LED電源電路圖如圖1所示。 　　LED驅動電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉換器等幾個主要部分。 　　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L和中線N之間，用于保護地(E)，同時用于控制高頻(>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。當交流(AC)電源切斷時，R1、R2和R3為EMI電容放電提供通路，以滿足安全要求。 　　F1是保險絲，起短路保護作用。RV1用作過電壓保護。RT1是NTC熱敏電阻，在電路啟動期間限制浪涌電流。當電路啟動之后進入正常操作時，繼電器動作，將熱敏電阻短路，由于RT1沒有電流通過，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開關Q2、輸出電容C9、C11等組成。在AC輸入電壓范圍為140~265V時，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輸入端產生正弦電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性的負載，線路功率因數(shù)接近于1。 　　PLC810PG的PFC部分采用無需正弦信號輸入?yún)⒖嫉耐ㄓ幂斎脒B續(xù)電流模式(CCM)設計，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。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型小信號晶體管MMBT3904LT1G。PFC開關Q2選用STW20NM50FD，500V，20A，導通電阻0.22Ω，采用TO-247AC封裝。 　　R6和R8是PFC級電流傳感電阻。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U1(PLC810PG)的電流感測輸入。 　　在系統(tǒng)加電時，對C9的充電電流通過二極管D1，而沒有浪涌電流通過L4，這就避免了L4出現(xiàn)飽和的可能性。PFC級輸入小電容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諧振轉換器由LLC輸入級與LLC輸出級組成。Q10和Q11是LLC轉換器的半橋高/低端MOSFET，它們由U1經電阻R56和R58直接驅動。C39是變壓器T1初級諧振電容，它與T1初級形成諧振槽路。由于諧振電感器已結合進T1初級繞組線圈中，這種電路仍被稱為LLC諧振槽路，而不將其稱作LC諧振槽路。 　　電容C40被安置到鄰近的Q10和Q11，用于旁路。半橋開關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次級輸出經D9和C37、C38整流濾波提供48V的輸出，為LED路燈供電。T1次級串接的鐵氧體磁珠，用作抑制高頻噪聲。PLC810PG中DC-DC控制器驅動LLC諧振，這個變頻控制器可使MOSFET在零電壓時進行開關操作，從而消除大部分的開關損耗，提高效率。LLC控制器的核心是一個電流控制的振蕩器，其頻率控制范圍支持電視機電源的傳統(tǒng)工作頻率。 　　為了確保零電壓開關，PLC810PG中LLC開關的死區(qū)時間被嚴格控制在容差范圍之內，并可通過一個外部電阻進行調節(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。 　　3LED驅動電源測試結果 　　通過在實驗室對樣品線路板連接LED燈模組進行測試，測試結果為：在滿載時，PFC級效率PFC>95%，LLC級效率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，PF≥0.98，LED路燈電源傳導EMI符合CISPR22B/EN55022B規(guī)范要求，安全性滿足IEC950/UL1950II類要求。