一種基于LED路燈的PFC開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)設計方案

LED路燈是低電壓、大電流的驅動(dòng)器件，其發(fā)光的強度由流過(guò)LED的電流決定，電流過(guò)強會(huì )引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì )影響LED的發(fā)光強度，因此LED的驅動(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)達到理想的發(fā)光強度。用市電驅動(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，還需有比較高的轉換效率，有較小的體積，能長(cháng)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)路保護等。本方案設計的PFC開(kāi)關(guān)電源性能良好、可靠、經(jīng)濟實(shí)惠且效率高，在LED路燈使用過(guò)程中取得滿(mǎn)意的效果。

系統結構框圖

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

圖1 模塊工作原理

LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。LED路燈裝在戶(hù)外更要加強浪涌防護。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統會(huì )侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì )導致LED的損壞。因此LED驅動(dòng)電源應具有抑制浪涌侵入，保護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電路將直流電轉換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級輸出。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)現對輸出電壓的調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達到0.95。

DC/DC變換器

DC/DC變換器的類(lèi)型有多種，為了保證用電安全，本設計方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進(jìn)一步細分為正激式、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，其激勵電路復雜，實(shí)現起來(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輸入電壓有變化的情況，且本電源系統中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定不變。

反激式開(kāi)關(guān)電源主要應用于輸出功率為5~150W的情況。這種電源結構是由Buck-Boost結構推演并加上隔離變壓器而得到，如圖2所示。在反激式拓撲中，由變壓器作為儲能元件。開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供;開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負載電流時(shí)消耗的能量。

圖2 高頻DC/DC變換原理

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，GD是來(lái)自功率因數校正電路的控制信號。變壓器的引線(xiàn)l和2組成一個(gè)繞組，給PFC器件提供工作電源，引線(xiàn)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。

反饋網(wǎng)絡(luò )電路

(1)恒流恒壓電路

本設計使用恒流恒壓控制器件TSM101調節輸出電壓和電流，使之穩定。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?？烧{電阻器RV1和RV2分別調節輸出電壓和電流的大小。R10和R11為22mΩ的電阻，分別對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。

圖3 恒流恒壓電路

(2)比較器電路

采用比較器LM258,電路如圖4所示。

圖4 比較器電路

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

PFC電路

本設計采用最常見(jiàn)的有源功率因數校正的控制器件L6561.PFC電路工作原理如圖5所示。

圖5 PFC電路

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為驅動(dòng)信號輸出引腳，直接驅動(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)零檢測引腳，用于確定何時(shí)導通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)零信號傳輸至該器件的引腳5,同時(shí)比較器LM258產(chǎn)生的信號DOUT通過(guò)光耦、三極管、可控硅等傳輸至器件的引腳5,以檢測輸出電流。引腳4為MOS管電流采用引腳，器件將該引腳檢測到的信號與器件內部產(chǎn)生的電感電流信號相比較，來(lái)確定何時(shí)關(guān)斷MOS管。圖2中電阻R4作為電流檢測電阻，采樣MOS管電流，該電阻一端接于系統地，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，用以生成器件內部的電感電流參考信號。圖5中，Ubout經(jīng)3只電阻分壓后傳送到引腳3.引腳2為內部乘法器的另一個(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)的補償網(wǎng)絡(luò )。

測試結果

電源模塊電裝完后，加上負載，用示波器對關(guān)鍵點(diǎn)測試，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。

圖6 輸出波形圖

結論

本方案采用有源PFC功能電路設計的室外LED路燈電源，內置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規和電磁兼容的要求。采用電壓環(huán)反饋，限壓恒流，效率高，恒流準，范圍寬，實(shí)現了寬輸入，穩壓恒流輸出，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的亮度穩定。整機元件較少，電路簡(jiǎn)單。功率為90W,功率因數達0.95.根據用戶(hù)需求可在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過(guò)高。