一種高轉(zhuǎn)換效率高功率因素的大功率LED電源研究

　摘 要 大功率LED 照明驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)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(jié)構(gòu)的驅(qū)動電源設計，滿載工作情況下電源輸入輸出轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動電源，因此研制高效率高功率因數(shù)的LED 驅(qū)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(qū)動電源，要求有較高電源輸入輸出轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)選擇

　　當采用開關電源拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

　　目前AC/DC 恒流源驅(qū)動IC 正從反激式拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋（LLC）+PFC 拓撲結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮零電壓開關拓撲結(jié)構(gòu)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。

　　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(qū)動電源分為輸入電路、PFC 升壓變換器和LLC 諧振轉(zhuǎn)換器等幾個主要部分。

圖1 電源電路圖[!--empirenews.page--]

　　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(chǎn)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STW 20NM50FD，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(zhuǎn)換器由LLC 輸入級與LLC 輸出級組成。Q10 和Q11 是LLC 轉(zhuǎn)換器的半橋高/ 低端MOSFET，它們由U1 經(jīng)電阻R56 和R58 直接驅(qū)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(jié)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(jīng)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(qū)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(nèi)，并可通過一個外部電阻進行調(diào)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。

　　3 LED 驅(qū)動電源測試結(jié)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(jié)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(nèi)，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/UL1950 II 類要求。