高转换效率高功率因数的大功率LED照明驱动电源研究

大功率LED照明驱动电源对LED灯具整体的效能、寿命、维护成本有直接的影响，高转换效率、高功率因素、简化线路、高可靠性、减少电磁污染是对高性能LED驱动电源的主要挑战。本文探讨了一种基于PLC810PGPFC控制芯片PFC+LLC结构的驱动电源设计，满载工作情况下电源输入输出转换效率可达到92%，电源功率因数可达到98%，具有集成度高、元件少、可靠性高的特点，能推广用于80W~150W的LED照明灯具的驱动电源。 　　0引言 　　LED照明与其他照明相比具有以下优点：1)发光效率高，耗能少，而且光的单色性好、光谱窄;2)使用寿命长，LED的使用寿命可以长达近十万小时;3)安全环保;4)启动时间短;5)体积小。 　　大量的LED路灯需要配套相应的驱动电源，因此研制高效率高功率因数的LED驱动电源也具有庞大的需求和广阔的市场前景。 　　本文根据杭州某家照明灯具厂商的要求，开发研制一种适用于80W~150W的LED照明灯具的驱动电源，要求有较高电源输入输出转换效率和较高的电源功率因数，可靠性高、符合IEC-61000标准。 　　1主电路拓扑结构选择 　　当采用开关电源拓扑结构时，必须满足IEC61000-3-2等标准关于D类设备电流谐波限制性规定，同时还必须符合对C类(照明)设备的电流谐波限量要求和“能源之星”等规范对功率因数(PF)不能低于0.9的要求。为达此目的，LED路灯电源必须采用功率因数校正(PFC)，同时还要求采用支持相应功率的电源拓扑结构。 　　目前AC/DC恒流源驱动IC正从反激式拓扑结构转向高效率谐振半桥(LLC)+PFC拓扑结构，以充分发挥零电压开关拓扑结构(ZVS)的优势，和满足LED灯具对PFC(功率因素较正)日益提高的要求，并要求能提高效率>90%.宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真(THD)是基本的要求。 　　传统功率因数校正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元器件多、体积大而且成本高。因此，设计时往往要在性能和成本之间进行折衷。 　　BOOST采用主动式有源功率因数校正(APFC)电路，工作在连续模式，谐波电流和开关管电压电流应力小。DC/DC采用半桥LLC串联谐振转换器，元器件数量有限，谐振储能(tank)元件能够集成到单个变压器中，因此只需要1个磁性元件。在所有正常负载条件下，初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件，而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作，没有反向恢复损耗。特别适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和性能优异的解决方案。因此，主电路采用FPC(采用CCM方式)+LLC二级拓扑结构。由于PLC810PG同时集成了CCM方式PFC和LLC控制器，特别适合本系统方案设计的需求。 　　2基于PLC810PG的大功率LED电源电路设计 　　基于PLC810PG的大功率LED电源电路图如图1所示。LED驱动电源分为输入电路、PFC升压变换器和LLC谐振转换器等几个主要部分。 图1电源电路图 　　输入电路部分主要由输入滤波器、桥式整流器(BR1)等组成，C1~C6和L1、L2及R1~R3组成EMI滤波器。C1和C5连接在相线L和中线N之间，用于保护地(E)，同时用于控制高频(>30MHz)噪声。C3和C4提供差模EMI滤波。共模电感器L1、L2控制低频和中频(<10MHz)EMI，C2和C6控制中频区中的谐振峰值。当交流(AC)电源切断时，R1、R2和R3为EMI电容放电提供通路，以满足安全要求。 　　F1是保险丝，起短路保护作用。RV1用作过电压保护。RT1是NTC热敏电阻，在电路启动期间限制浪涌电流。当电路启动之后进入正常操作时，继电器动作，将热敏电阻短路，由于RT1没有电流通过，使电路效率至少能提高1%。 　　PFC升压变换器主电路由L4、升压二极管D2、PFC开关Q2、输出电容C9、C11等组成。在AC输入电压范围为140~265V时，PFC输出直流(DC)升压电压(VB+)稳定在385V，并且在桥式整流器BR1输入端产生正弦电流，使系统呈现纯电阻性的负载，线路功率因数接近于1。PLC810PG的PFC部分采用无需正弦信号输入参考的通用输入连续电流模式(CCM)设计，从而减少了系统成本和外部元件。Q1和Q3等组成Q2的缓冲级。Q2栅极和漏极分别串接了铁氧体磁珠，可以改善EMI。 　　PFC缓冲级Q1选用60V、1A、采用SOT-23封装的FMMT491TA型NPN晶体管。Q3选用60V、1A、采用SOT-23封装的FMMT591TA型PNP晶体管。偏置电源中Q26、Q17选用40V、0.2A、采用SOT-23封装的NPN型小信号晶体管MMBT3904LT1G。PFC开关Q2选用STW20NM50FD，500V，20A，导通电阻0.22Ω，采用TO-247AC封装。R6和R8是PFC级电流传感电阻。连接在R6和R8上的二极管D3和D4，在浪涌期间箝位(箝位电压为D3和D4的正向压降，约0.7V×2=1.4V)，R6和R8上的电压以保护U1(PLC810PG)的电流感测输入。 　　在系统加电时，对C9的充电电流通过二极管D1，而没有浪涌电流通过L4，这就避免了L4出现饱和的可能性。PFC级输入小电容C7用作旁路高频成分，C7选择低损耗丙乙烯电容器。电容C11用作减小Q2、D2和C9等高频环路元件的EMI。 　　LLC谐振转换器由LLC输入级与LLC输出级组成。Q10和Q11是LLC转换器的半桥高/低端MOSFET，它们由U1经电阻R56和R58直接驱动。C39是变压器T1初级谐振电容，它与T1初级形成谐振槽路。由于谐振电感器已结合进T1初级绕组线圈中，这种电路仍被称为LLC谐振槽路，而不将其称作LC谐振槽路。电容C40被安置到邻近的Q10和Q11，用于旁路。半桥开关Q10和Q11选用IRFIB7N50LPBF型N沟道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC封装。 　　变压器T1次级输出经D9和C37、C38整流滤波提供48V的输出，为LED路灯供电。T1次级串接的铁氧体磁珠，用作抑制高频噪声。 　　PLC810PG中DC-DC控制器驱动LLC谐振，这个变频控制器可使MOSFET在零电压时进行开关操作，从而消除大部分的开关损耗，提高效率。LLC控制器的核心是一个电流控制的振荡器，其频率控制范围支持电视机电源的传统工作频率。 　　为了确保零电压开关，PLC810PG中LLC开关的死区时间被严格控制在容差范围之内，并可通过一个外部电阻进行调节。高低压两端的占空比紧密匹配，以提供平衡的输出电流，从而降低输出二极管的成本。 　　3LED驱动电源测试结果 　　通过在实验室对样品线路板连接LED灯模组进行测试，测试结果为：在满载时，PFC级效率PFC>95%，LLC级效率LLC>95%，系统总效率total>92%(AC200-265VAC)。由于LED路灯电源带有功率因数校正，在140VAC~220VAC范围内，PF≥0.98，LED路灯电源传导EMI符合CISPR22B/EN55022B规范要求，安全性满足IEC950/UL1950II类要求。