基于组合离线控制器的LED路灯驱动电路设计

　　LED路灯技术主要有两大部分：一个是离线(off2line) LED驱动电源技术;另一个是LED 路灯模块及其散热和灯具技术。LED路灯电源大多采用开关型电源( SMPS)拓扑结构。由于LED路灯功率通常达150 W 以上，不宜再沿用单开关反激式电路，而必须采用支持相应功率的电路拓扑，例如半桥LLC谐振拓扑结构。

　　由于用来取代高压钠灯等传统光源用于道路照明的LED路灯功率往往远超过75 W,因此要求LED路灯电源AC输入电流谐波含量必须符合IEC610002322等标准规定限制。为此， LED路灯电源必须采用功率因数校正( PFC) 。

　　1　半桥LLC谐振拓扑结构

　　半桥双电感加单电容(LLC)谐振转换器基本结构如图1 所示。在图1 中， Q1 和Q2 是半桥开关(MOSFET) , CR , LR 和变压器T1初级绕组线圈LM 组成LLC谐振电感器LR ,将其结合进变压器初级之中，如图2所示。对于图2所示的电路拓扑，仍称作LLC谐振结构，而不称其为LC谐振拓扑。

　　图1　半桥LCC谐振转换器基本结构

　　LLC谐振电路拓扑能提供较大的输出功率，保证半桥MOSFET的零电压开关(ZVS) ,具有高效率。

　　图2　将LLC谐振电感器并入到变压器初级

　　2　PFC/LLC控制器PLC810PG

　　PLC810PG是美国Power Integrations ( P I)公司推出的一种新型控制IC。这种控制IC采用24引脚窄体塑料无铅封装，引脚配置如图3所示。

　　图3　PLC810PG引脚排列

　　PLC810PG芯片集成了连续电流模式(CCM) PFC控制器和PFC开关(MOSFET)驱动器、半桥LLC谐振控制器及半桥高、低端MOSFET驱动器，如图4所示。

　　图4　PLC810PG功能框图2. 1　PFC控制器

　　PLC810PG的CCM PFC控制器只有4个引脚(除接地端外) ,是目前引脚最少的CCM PFC控制器。这种PFC控制器主要是由运算跨导放大器(OTA) 、分立电压可编程放大器(DVGA) 和低通滤波器(LPF) 、PWM电路、PFC MOSFET驱动器(在引脚GATEP上输出)及保护电路组成的。PFC控制器有两个输入引脚，即引脚ISP (3)和FBP (23) 。

　　FBP引脚是PFC升压变换器输出DC升压电压的反馈端，连接OTA 的同相输入端。OTA 输出可视为是PFC控制器等效乘法器的一个输入。OTA在引脚VCOMP (1)上的输出，连接频率补偿元件。反馈环路的作用是执行PFC输出DC电压调节和过电压及电压过低保护。IC 引脚FBP 的内部参考电压VFBPREF = 2. 2 V。如果引脚FBP上的电压VFBP > VOVN= 1. 05 ×2. 2 V = 2. 31 V, IC则提供过电压(OV)保护，在引脚GATEP上的输出阻断。如果电压不足使VFBP

　　PLC810PG的ISP引脚是PFC电流传感输入，用作PFC算法控制并提供过电流(OC)保护。PFC在ISP引脚上的过电流保护(OCP) 解扣电平是- 480mV。

　　2. 2　LLC控制器

　　半桥LLC谐振控制器的FBL引脚是反馈电压输入端。流入引脚FBL的电流越大， LLC转换器的开关频率则越高。LLC 级最高开关频率由连接在引脚FMAX与引脚VREF ( 3. 3 V)之间的电阻设定，可达正常工作频率(100 kHz)的2～3倍。引脚FBL还提供过电压保护。引脚ISL ( 22)为LLC级电流传感输入端，提供快速和慢速(8个时钟周期)两电平过电流保护。死区时间电路保护外部两个MOFET不会同时导通，并突现零电压开关( ZVS) 。

　　PFC和LLC频率和相位同步化，从而减小了噪声和EM I。PFC电路不需要AC输入电压感测作为控制参考，这是区别于其他同类控制器的标志之一。

　　PLC810PG的引脚VCC (7)导通门限是9. 1 V,欠电压关闭门限是8. 1 V。VCC电压可选择12～15 V。

　　3　采用PLC810PG的150W LED路灯电源

　　采用PLC810PG的150 W LED路灯电源电路如图5所示。

　　( a)输入滤波器、PFC主电路和偏置电源

　　( b) PFC控制输入与LLC变换器

　　图5　采用PLC810PG的150W LED路灯电源

　　3. 1　输入滤波器/PFC主电路/偏置电源

　　在图5 ( a)中，电容C1, C2, C3, C4, C5, C6和共模电感器L1, L2 组成输入EM I滤波器， R1 ～R3 在AC电源切断时为电容放电提供通路。NTC 热敏电阻RT1在系统启动时限制浪涌电流，当电路开始正常工作时，继电器RL1将RT1旁路， RT1不再有功率损耗，可使电源效率提高1%～1. 5%。

　　BR1是桥式整流器，在接通AC电源后，电流经二极管D1对PFC升压转换器输出电容C9 充电，浪涌电流不经过PFC电感器L4,从而使L4不会出现饱和。

　　L4, PFC开关(MOSFET)Q2,升压二极管D2和输出电容C9等，组成PFC升压变换器主电路。在140～265VAC输入电压范围内，输出电压稳定在385VDC (B+与B - 之间) ,并在BR1输入端产生正弦AC电流，使系统呈现纯电阻性负载，线路功率因数( PF)几乎等于1。晶体管Q1,Q3等组成Q2的缓冲级。R6和R8是PFC级电流传感电阻，二极管D3, D4在浪涌期间箝位R6和R8上的电压(即两个二极管上的正向压降) 。Q2栅极和漏极串接的铁氧体磁珠( Φ<3. 5 mm ×3. 25 mm, 20 Ω ) ,用作改善EM I特性。PFC开关Q2的散热器通过C80接初级地(B - ) 。

　　L4的副绕组是偏置线圈， 其输出由D22, D23,R109, C75, C76倍压整流和滤波，作为后随偏置稳压器的DC输入。在系统通电后，电流通过Q24,D24对C70 充电，为U1 ( PLC810PG) 提供启动偏置。Q27,R111和齐纳二极管VR9组成射极跟随稳压器。当偏置电压VCC达到稳定时，Q25关闭启动电路，并且Q26接通继电器RL1,将热敏电阻RT1短路。

　　3. 2　PFC电路控制输入和LLC变换器

　　基于U1的LED路灯PFC电路控制输入和半桥LLC谐振转换器电路如图5 ( b)所示。

　　在图5 ( b)中，U1引脚GATEP上的PWM信号驱动PFC开关Q2。R6和R8上的电流传感信号经R45,C73滤波输入到U1引脚ISP,来执行PFC算法控制，并提供过电流保护。PFC输出电压VB +经R39～41,R43, R46和R50取样，并经C25滤除噪声，输入到U1引脚FBP,来执行PFC输出电压调节和过电压以及电压过低保护。U1引脚VCOMP外部R48, C26, C28为频率补偿元件。当引脚VCOMP 上的信号较大时，Q20导通，将C26旁路，可使PFC控制环路能够快速响应。

　　Q10,Q11为半桥功率开关(MOSFET) 。C39是谐振电容。C39与变压器T1初级绕组构成LLC谐振槽路。T2次级输出经D9, C37, C38整流滤波，产生48 V输出，为LED路灯模块供电。

　　48 V的输出由R67, R66采样，经稳压器U3,光电耦合器U2及R54, D16, R53等反馈到U1 的FBL 引脚，来执行输出电压调节和过电压保护。流入引脚FBL的电流越大，LLC级开关频率也就越高。最高开关频率由U1引脚FMAX与VREF之间的电阻R52设定。R49, R51, R53设置下限频率。C27是LLC级软启动电容，软启动时间由C27和R49, R51共同设定。

　　R59是T1初级电流感测电阻。R59上的电流感测信号经R47, C35滤波输入到U1的ISL引脚，以提供过电流保护。

　　偏置电压VCC经R37 , R38分别加至U1 的VCC和VCCL引脚，将U1模拟电源和数字电源分开。R55和铁氧体磁珠L7,在PFC与LLC地之间提供隔离。U1内半桥高端驱动器由自举二极管D8,电容C23和电阻R42供电。Q10和Q11散热器经C78连接到初级地(B - ) 。3. 3　磁性元件选择

　　3. 3. 1　PFC升压电感器

　　PFC升压电感器L4使用PQ32 /20磁心和12引脚骨架，电气图和结构图如图6所示。

　　图6　PFC升压电感器L4电气图与结构图

　　L4主绕组使用#20AWG(美国线规，约<0. 8 mm)绝缘磁导线，从引脚1开始到引脚6终止，绕35匝，电感量是580μH ( ±10% ) 。在主绕组外面绕一层作绝缘用的聚酯膜。偏置绕组使用#28AWG( Φ<0. 3 mm)绝缘导线从引脚8开始绕2匝，到引脚7结束。在该绕组线圈外面绕3层聚酯膜。在磁心上包裹一层铜箔，并用Φ<0. 5 mm铜线将铜箔与9引脚焊接起来，作为屏蔽层。在铜箔外面再绕3层聚酯膜。

　　3. 3. 2　LLC变压器

　　变压器T1使用ETD39磁心和18引脚骨架，电气图与构造图如图7所示。

　　图7　LLC变压器T1电气图与构造图

　　先绕次级绕组WD1A /WD1B。次级绕级使用175股40AWG( <0. 08 mm)李兹线(即绞合线) ,从引脚10到引脚12,再从引脚11到引脚13各绕9匝，并覆盖2层聚酯膜。初级绕组WD1使用75股40AWG( <0. 08mm)绞合线，从7引脚开始到9引脚结束，绕39匝，再绕2层聚酯膜。WD1电感量是820μH ( ±10%) ,漏感是100μH ( ±10%)。将分成两部分的磁心插入骨架中对接在一起，在磁心外面用10 mm宽的铜皮绕一层，用焊锡将接缝焊牢，再在铜皮与引脚2之间焊接一段<0. 5 mm的铜线。在铜皮外部用聚酯膜覆盖起来。

　　3. 4　主要性能

　　图5所示的150W LED路灯电路，主要参数如下：

　　AC输入电压范围： 140～265 VAC ;

　　DC输出： 48 V, 3. 125 A;

　　输入功率因数： ≥0. 97;

　　输入电流总谐波失真( THD) : < 7%;

　　满载时PFC级效率： > 95%;

　　满载时LLC级效率： > 95%;

　　LED电源总效率： > 92%;

　　传导EM I:满足EN55022B /CISPR22B规范要求;

　　安全性：满足IEC950 /UL1950 II级要求。

　　4　小结

　    基于PLC810PG控制IC的LED路灯电源，不存在安全性和可靠性没有保证，输入电流谐波、功率因数和效率也无法达到相关规范要求这些问题。虽然这一设计方案电路略显复杂，但性能却得到可靠保证。