一種大功率LED照明電源解決方案

摘要：介紹采用PFC控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W高效(>90％)高功率因數(shù)(>0．95)LED照明電源解決方案。該方案適用于直至1kW的電源供應(yīng)器，可用于LED照明、LED路燈、大型LED看板和大功率體育場(chǎng)館照明等。
關(guān)鍵詞：CM6807／CM6900；PFC／LLC控制器；同步整流；大功率LED電源

    美國(guó)“能源之星”等規(guī)范要求在任何功率電平上的離線式(off-line)LED照明電源具有高功率因數(shù)和高能效。對(duì)于普通照明用低功率LED驅(qū)動(dòng)電源，采用基于專(zhuān)用控制器IC的單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)反激式電路拓?fù)涫亲罨镜慕鉀Q方案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是只使用一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，無(wú)需使用高壓電解電容器。對(duì)于100～200W的LED照明電源，人們通常采用PFC+反激式兩段式電路架構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是PFC升壓變換器被置于反激式轉(zhuǎn)換器的前端，PFC與反激式轉(zhuǎn)換器各使用一個(gè)功率開(kāi)關(guān)。而對(duì)于200W以上的大功率LED照明電源供應(yīng)器，上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不適用。行之有效的解決方案是選擇PFC與其電感—電感—電容(LLC)相結(jié)合的電路架構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高效率，主變壓器二次側(cè)可以采用同步整流方案。在這里介紹一種采用這種方案的350W LED照明電源設(shè)計(jì)實(shí)例，以供讀者參考。

1 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格與基本架構(gòu)
1．1 350W LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)規(guī)格
    (1)輸入規(guī)格
    AC輸入電壓：85～264 Vac；
    AC最大輸入電流：5A；
    線路功率因數(shù)PF：>0．95(230Vac，滿載)；
    AC電源頻率：47～63Hz；
    效率：>92％(230Vac，滿載)；
    工作溫度：50℃；
    工作環(huán)境：密閉；
    散熱方式：無(wú)風(fēng)扇自然冷卻。
    (2)輸出規(guī)格
    輸出電壓Uo：36～40V；
    輸出電流Io：5～10A；
    電壓紋波：≤0．3V；
    電流紋波：<0．1A；
    控制模式：恒定電壓／恒定電流。
1．2 系統(tǒng)組成方框圖
    350W LED照明電源主要由EMI濾波器、基于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)功率因數(shù)控制器CM6807的PFC升壓變換器、基于CM6900的LLC諧振半橋變換器及同步整流器等部分組成，圖1為其基本架構(gòu)方框圖。

2 實(shí)際電路
    基于CM6807和CM6900的350W LED照明電源電路如圖2所示。我們對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)單元電路作簡(jiǎn)要介紹。

2．1 PFC升壓變換器與輔助電源
    350W LED照明電源的PFC升壓變換器與輔助電源電路如圖2(a)所示。
    (1)輸入級(jí)電路
    輸入級(jí)電路由EMI濾波器和橋式整流器組成。在圖2(a)中，電容C3、C4、C5和C11～C14及電感元件T1、T2等，構(gòu)成輸入EMI濾波器；BR1為橋式整流器；FU1為保險(xiǎn)絲；RT1為NTC熱敏電阻。EMI濾波器被用作限制和衰減共模與差模噪聲，RT1用作限制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)因?qū)Υ箅娙軨7充電引起的浪涌電流。
    (2)有源PFC升壓變換器
    功率因數(shù)控制器U1(CM6807)、功率開(kāi)關(guān)VT2、升壓電感器L1、升壓二極管VD3、輸入電容C9／C10、輸出電容C7、電流傳感電阻R4等，組成DC／DC有源PFC升壓變換器。PFC級(jí)電路工作在連續(xù)模式。輸入電流經(jīng)R5、R8和R13通過(guò)U1引腳②檢測(cè)。輸出DC總線電壓(395V)經(jīng)分壓器R7、R10、R12和R13采樣，饋送至U1引腳FB。U1的引腳④為電壓誤差放大器輸出，C17、C18和C21為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)PFC級(jí)的電流被R4感測(cè)，并經(jīng)R11和C20由U1引腳③來(lái)檢測(cè)。U1引腳⑨上的驅(qū)動(dòng)輸出推動(dòng)VT1／VT3和VT2。PFC升壓變換器的作用是在橋式整流器BR1的輸入端產(chǎn)生一個(gè)與AC輸入電壓趨于同相位的正弦電流，能夠滿足IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流限制要求，系統(tǒng)功率因數(shù)遠(yuǎn)高于0．95，并且在85～264V的AC輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出一個(gè)395V的穩(wěn)定DC電壓。
    (3)啟動(dòng)電路與偏置電源
    R5、R8、R6、R9、VT4、VD4和C16等，組成U1引腳⑧上的肩動(dòng)電路，U1一旦啟動(dòng)，PFC進(jìn)入操作狀態(tài)，U1引腳③則由L1引腳③與④之間的輔助繞組、C1和C2、VD1和VD2、R15、VZ1、VT5及C16等組成的偏置電源供電。
2．2 LLC半橋諧振功率級(jí)
    LLC半橋諧振功率級(jí)電路如圖2(b)所示。該功率級(jí)主電路由圖2 (c)所示的控制電路來(lái)控制。在圖2 (b)中，功率開(kāi)關(guān)VT6、VT8、電容C23、電感L3以及變壓器T3引腳③與引腳⑥之間的初級(jí)電感組成半橋LLC串聯(lián)諧振電路。T3二次側(cè)上的VT7和VT9組成同步整流器電路，可使LLC諧振半橋變換器的工作效率達(dá)96％以上，比傳統(tǒng)LLC諧振半橋功率級(jí)的效率提高4％～5％。

    C25／C26、L4和C27／C28構(gòu)成LC濾波電路，可以保證DC輸出電壓紋波小于300mV。R23為輸出電流感測(cè)電阻。電源的DC輸出可以驅(qū)動(dòng)350W的LED模塊或陣列。
2．3 基于CM6900的恒壓／恒流(CV／CC)控制電路
    采用CM6900作半橋諧振控制器的CV／CC控制電路見(jiàn)圖2 (c)。
    (1)偏置電源
    圖2(a)中L1引腳⑤與⑥之間的輔助繞組，與圖2(c)中的C29／C30、VD7／VD8、VZ2、VT14、R27和C31等，組成輸出12V的穩(wěn)壓電源，為U2(CM6900)和運(yùn)放U3(LM358)等提供偏置。
    (2)控制與驅(qū)動(dòng)電路
    在圖2(c)中，U2引腳⑨外部的R32和C38設(shè)定振蕩器頻率。LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓(+40V)經(jīng)電阻分壓器R26、R27和PR1取樣，反饋到U2的引腳②，以執(zhí)行輸出電壓調(diào)節(jié)。流經(jīng)輸出電流感測(cè)電阻R23[見(jiàn)圖2(b)]的電流經(jīng)U3B放大150倍，并經(jīng)R42和R48分壓后，由U3A作緩沖器加入到輸出電壓的反饋回路，使輸出電流被控制在恒定值。VT19的門(mén)極與地之間連接一個(gè)開(kāi)關(guān)S。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，VT19導(dǎo)通，U3B的輸出被R42和R48、R46分壓至2．5V，使LED驅(qū)動(dòng)電源輸出10A的最大恒流。當(dāng)S接通時(shí)，VT19截止，U3B輸出被R42和R48分壓至1．25V，LED驅(qū)動(dòng)電源輸出電流則為5A。
    U2引腳上的輸出，通過(guò)晶體管VT10／VT11和VT12／VT13來(lái)驅(qū)動(dòng)變壓器T4。T4的二次繞組輸出驅(qū)動(dòng)圖2(b)半橋中的VT6／VT8。U2的引腳上的輸出，通過(guò)VT14／VT15和VT16／VT18來(lái)驅(qū)動(dòng)圖2(b)中的同步整流器VT7和VT9。

3 結(jié)束語(yǔ)
    采用CCM功率因數(shù)控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W LED電源供應(yīng)器，同時(shí)采用同步整流方案，可以提供CV／CC控制，實(shí)現(xiàn)高于0．95的功率因數(shù)和高于90％的效率。該設(shè)計(jì)方案適用于100～1000W的電源供應(yīng)器，可應(yīng)用于LED照明、LED路燈、大型LED看板以及體育場(chǎng)館LED照明等。