基于LED路燈的PFC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

0 引言

LED路燈是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過(guò)LED的電流決定，電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC(功率因素校正)和恒流問(wèn)題，還需有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，能長(zhǎng)時(shí)間工作，易散熱，低成本，抗電磁干擾，和過(guò)溫、過(guò)流、短路、開(kāi)路保護(hù)等。本文介紹了基于LED路燈的PFC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。方案采用有源PFC功能電路設(shè)計(jì)的室外LED路燈電源，內(nèi)置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的要求。最后測(cè)試結(jié)果也表明，本方案所設(shè)計(jì)的PFC開(kāi)關(guān)電源性能良好、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且效率高，在LED路燈使用過(guò)程中取得滿意的效果。

1 系統(tǒng)總體框圖

采用隔離變壓器、PFC控制實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源，輸出恒壓恒流的電壓，驅(qū)動(dòng)LED路燈。電路的總體框圖如圖1所示。

LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。LED路燈裝在戶外更要加強(qiáng)浪涌防護(hù)。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有抑制浪涌侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。

三相交流電經(jīng)過(guò)全橋整流后變成脈動(dòng)的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開(kāi)關(guān)DC/AC電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級(jí)輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過(guò)高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED路燈需要的直流電源。

PWM控制電路采用電壓電流雙環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整和輸出電流的限制。反饋網(wǎng)絡(luò)采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反饋信號(hào)通過(guò)光耦送給PFC器L6561.由于使用了PFC器件使模塊的功率因數(shù)達(dá)到0.95.

2 DC/DC變換器設(shè)計(jì)

DC/DC變換器的類型有多種，為了保證用電安全，本設(shè)計(jì)方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進(jìn)一步細(xì)分為正激式、反激式、半橋式、全橋式和推挽式等。其中，半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場(chǎng)合，其激勵(lì)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難;而正激式和反激式電路則簡(jiǎn)單易行，但由于反激式比正激式更適應(yīng)輸入電壓有變化的情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會(huì)發(fā)生較大的變化，故DC/DC變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩(wěn)定不變。

反激式開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用于輸出功率為5~150W的情況。這種電源結(jié)構(gòu)是由Buck-Boost結(jié)構(gòu)推演并加上隔離變壓器而得到，如圖2所示。在反激式拓?fù)渲?，由變壓器作為?chǔ)能元件。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供;開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量。

圖中T1為高頻隔離變壓器，VQ1為CMOS功率三極管17N80C3,VD7和VD8是瞬變抑制二極管，VD6為快恢復(fù)二極管，VD5為雙二極管，C3、C4、C5和C6為電解電容器。Ubout是來(lái)自整流橋的脈動(dòng)直流信號(hào)，GD是來(lái)自功率因數(shù)校正電路的控制信號(hào)。變壓器的引線l和2組成一個(gè)繞組，給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個(gè)繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。

3 反饋網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)

3.1恒流恒壓電路

本設(shè)計(jì)使用恒流恒壓控制器件TSM101調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使之穩(wěn)定。電路如圖3所示。通過(guò)TSM101的控制作用，保證了電源恒流(CC)和恒壓(CV)工作。圖3中，Uout+和Uout-是隔離變壓器經(jīng)過(guò)雙二極管和電解電容器濾波的電壓，再經(jīng)電感L4和電容濾波后的輸出為Uout+和Uout-,為本電源模塊的輸出電壓，直接加在LED路燈上。可調(diào)電阻器RV1和RV2分別調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小。R10和R11為22mΩ的電阻，分別對(duì)電源輸出的電壓和電流采樣。TMS101的輸出TOUT通過(guò)光電耦合器、可控硅和三極管等電路送到L6561的引腳5,通過(guò)反饋電路實(shí)現(xiàn)恒流控制。器件引腳8接輔助電源，引腳4接變壓器T1副邊地。

3.2比較器電路

采用比較器LM258,電路如圖4所示。

輸出端的采樣電阻兩端的電壓信號(hào)VR+和VR-送到比較器LM258,通過(guò)與預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生電壓反饋信號(hào)DOUT.VF為變壓器T1副邊繞組產(chǎn)生的輔助電源。

4 PFC電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用最常見(jiàn)的有源功率因數(shù)校正的控制器件L6561.PFC電路如圖5所示。

L6561的引腳8為電源輸入端，由變壓器T1的副邊繞組提供;引腳7為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出引腳，直接驅(qū)動(dòng)MOS管VQ1;引腳6為參考地，該引腳和主回路的地連在一起;引腳5為過(guò)零檢測(cè)引腳，用于確定何時(shí)導(dǎo)通MOS管。變壓器T1的引腳1和引腳2組成的繞組，通過(guò)電阻將電感電流過(guò)零信號(hào)傳輸至該器件的引腳5,同時(shí)比較器LM258產(chǎn)生的信號(hào)DOUT通過(guò)光耦、三極管、可控硅等傳輸至器件的引腳5,以檢測(cè)輸出電流。引腳4為MOS管電流采用引腳，器件將該引腳檢測(cè)到的信號(hào)與器件內(nèi)部產(chǎn)生的電感電流信號(hào)相比較，來(lái)確定何時(shí)關(guān)斷MOS管。圖2中電阻R4作為電流檢測(cè)電阻，采樣MOS管電流，該電阻一端接于系統(tǒng)地，另一端同時(shí)在MOS管的源極和器件的引腳4.引腳3為器件內(nèi)部乘法器的一個(gè)輸入端，該引腳與整流橋電路輸出電壓相連，確定輸入電壓的波形與相位，用以生成器件內(nèi)部的電感電流參考信號(hào)。圖5中，Ubout經(jīng)3只電阻分壓后傳送到引腳3.引腳2為內(nèi)部乘法器的另一個(gè)輸入端，同時(shí)為電壓誤差放大器的輸出端，引腳1為系統(tǒng)反饋電壓的輸入端。恒流恒壓器件的輸出TOUT通過(guò)光耦將電壓反饋傳送到器件的引腳1,形成輸出電壓的負(fù)反饋回路。電阻R28和電容C18連接于器件的引腳1和引腳2之間，用于形成電壓環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

5測(cè)試結(jié)果

電源模塊電裝完后，加上負(fù)載，用示波器對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試，圖6(a)為整流橋的輸出電壓Ubrout+,圖6(b)為Ubrout+流過(guò)電感后的電壓Ubout+的波形，圖6(c)為雙二極管的輸出電壓Ucout+的波形。

測(cè)試結(jié)果表明，功率為90W,功率因數(shù)達(dá)0.95.根據(jù)用戶需求可在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過(guò)高。

6結(jié)論

本方案采用有源PFC功能電路設(shè)計(jì)的室外LED路燈電源，內(nèi)置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的要求。采用電壓環(huán)反饋，限壓恒流，效率高，恒流準(zhǔn)，范圍寬，實(shí)現(xiàn)了寬輸入，穩(wěn)壓恒流輸出，避免了LED正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)，同時(shí)恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果也表明，本方案所設(shè)計(jì)的PFC開(kāi)關(guān)電源性能良好、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且效率高，在LED路燈使用過(guò)程中取得滿意的效果。