一种高转换效率高功率因素的大功率LED电源研究

　　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STW 20NM50FD，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。

　　3 LED 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/UL1950 II 类要求。