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高轉換效率高功率因數的大功率LED照明驅動電源研究

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年08月07日  

大功率LED照明驅動電源對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驅動電源的主要挑戰。本文探討了一種基于PLC810PGPFC控制芯片PFC+LLC結構的驅動電源設計,滿載工作情況下電源輸入輸出轉換效率可達到92%,電源功率因數可達到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照明燈具的驅動電源。


0引言


LED照明與其他照明相比具有以下優點:1)發光效率高,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動電源,因此研制高效率高功率因數的LED驅動電源也具有龐大的需求和廣闊的市場前景。


本文根據杭州某家照明燈具廠商的要求,開發研制一種適用于80W~150W的LED照明燈具的驅動電源,要求有較高電源輸入輸出轉換效率和較高的電源功率因數,可靠性高、符合IEC-61000標準。


1主電路拓撲結構選擇


當采用開關電源拓撲結構時,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范對功率因數(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校正(PFC),同時還要求采用支持相應功率的電源拓撲結構。


目前AC/DC恒流源驅動IC正從反激式拓撲結構轉向高效率諧振半橋(LLC)+PFC拓撲結構,以充分發揮零電壓開關拓撲結構(ZVS)的優勢,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。


傳統功率因數校正電路技術復雜、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校正(APFC)電路,工作在連續模式,諧波電流和開關管電壓電流應力小。DC/DC采用半橋LLC串聯諧振轉換器,元器件數量有限,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、高輸出電壓轉換器的高性價比、高能效和性能優異的解決方案。因此,主電路采用FPC(采用CCM方式)+LLC二級拓撲結構。由于PLC810PG同時集成了CCM方式PFC和LLC控制器,特別適合本系統方案設計的需求。


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驅動電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉換器等幾個主要部分。


圖1電源電路圖


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+)穩定在385V,并且在橋式整流器BR1輸入端產生正弦電流,使系統呈現純電阻性的負載,線路功率因數接近于1。PLC810PG的PFC部分采用無需正弦信號輸入參考的通用輸入連續電流模式(CCM)設計,從而減少了系統成本和外部元件。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STW20NM50FD,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等高頻環路元件的EMI。


LLC諧振轉換器由LLC輸入級與LLC輸出級組成。Q10和Q11是LLC轉換器的半橋高/低端MOSFET,它們由U1經電阻R56和R58直接驅動。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工作頻率。


為了確保零電壓開關,PLC810PG中LLC開關的死區時間被嚴格控制在容差范圍之內,并可通過一個外部電阻進行調節。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。


3LED驅動電源測試結果


通過在實驗室對樣品線路板連接LED燈模組進行測試,測試結果為:在滿載時,PFC級效率PFC>95%,LLC級效率LLC>95%,系統總效率total>92%(AC200-265VAC)。由于LED路燈電源帶有功率因數校正,在140VAC~220VAC范圍內,PF≥0.98,LED路燈電源傳導EMI符合CISPR22B/EN55022B規范要求,安全性滿足IEC950/UL1950II類要求。


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