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高功率因数大功率LED路灯驱动电源的设计

   【摘要】文章结合LED路灯驱动电源发展的现状,设计了一款适用于大功率情况下的路灯驱动电源。该设计提出一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案,实现了功率因数校正作用且由于实现了软开关,提高了工作效率。文章对此电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。最后经实验研究,表明该系统设计可行,性能指标基本可以满足设计要求。
  【关键词】LED驱动电源;功率因数校正;半桥LLC谐振变换器;PLC810PG
  
  Design of A High Power Factor and High-Power
  Power Supply to Drive LED Lights
  SHI Hong-wei Zhu Zheng-yu Shejie
  (Jiangyin Polytechnic College,Jiangyin 214433,Jiangsu,China)
  Abstract:With the development status of LED power supply,this article introduces a programme in the case of high power for LED lights.The article introduces a design of half-bridge LLC resonant based on PLC810PG for LED lights switching power supply.This design realizes factor correction and improved work efficiency by soft switching.In the article,the main circuit and control circuit are designed in theory and the related circuit parameters are estimated.Finally experimental studies show that the system design is feasible and the basic performance to meet design requirements.
  Key words:LED power supply;power factor correction;half-bridge LLC resonant circuits;PLC810PG
  
  引言
  LED(light emitting diode)具有发光效率高、功耗小、寿命长、光污染小、光线质量高等优点,已在各个领域得到广泛应用。近些年随着大功率的LED发光技术的升级,大功率的白光LED越来越多的被应用于通用照明领域。可以说,作为新一代光源,LED的应用已经成为照明的发展方向。目前LED应用的热点之一是LED的道路照明。
  LED路灯的电源控制和驱动系统是保证其功能和高效的重要基础。文章结合大功率LED驱动电源的发展现状,提出了一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案,把输入分压与半桥两个开关各自形成一路Boost电路,实现了功率因数校正作用,后级采用LLC谐振负载网络,实现了软开关,提高了工作效率。
  1.系统结构
  由于LED路灯功率较高,LED路灯电源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。如图1所示,Q1和Q2是半桥开关管(MOSFET),半桥谐振网络中选用的是LLC结构,Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈Lm组成LLC谐振网络。Lb1、Q1、Dds2、Cb组成一路boost电路,Lb2、Q2、Dds1、Cb组成另一路boost电路,两个boost电路工作在断续模式下,作为天然的功率因数校正器。其中Lr为变压器的漏感,Lm为变压器的励磁电感。
  2.输入EMI滤波电路和桥式整流电路
  从频率的角度看,EMI滤波器属于低通滤波器。它能毫无衰减地把直流电和工频交流电传输到开关电源,不但可以大大地衰减从电网引入的外部电磁干扰,还可以避免开关电源设备本身向外部发出噪声干扰,以免影响其他电子设备的正常工作。本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2所示。
  市电交流220V输入后,经由电容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模电感器L1、L2组成的输入EMI滤波器滤波,R1~R3在交流电源切断时为电容放电提供通路。热敏电阻RT1用来在电源系统启动时限制浪涌电流。当电路正常工作后,继电器RL1将RT1旁路,RT1中几乎无电流流过,不再有功率损耗,从而使电源效率提高1%~1.5%。BR1为桥式整流器,C7是滤波电容。
  3.半桥LLC谐振电路
  半桥双电感加单电容(LLC)谐振转换器能提供较大的输出功率,保证半桥MOSFET的零电压开关(ZVS),具有较高的效率,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谐振变换器。
  本文设计的LED路灯照明用驱动电源(图3)中,Q1,Q2为半桥功率开关管(MOSFET)。C39为谐振电容,变压器T1的初级绕组与其构成LLC谐振回路(通常将图1中的Lr结合进变压器初级之中,对于图3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)。T1的次级输出经全波整流二极管、C37、C38整流滤波后产生52V直流电压输出,作为LED路灯模块的电源驱动。
  3.1 电路主要元器件参数设计
  系统的额定输出功率100W,输出电压为52V,两个boost电感的值可由表达式(1)计算得到:
  由于输出功率P0=ηPin,效率值为90%,一般母线电压为1.2倍峰值输入,由此可求出系统的两个boost电感值。我们在当系统工作在fr的频率下来进行分析,此时LLC电路的电压增益为1,即可求出变压器的匝比为
  图(3)中C39不仅起电容隔直的作用,也为负半周的谐振提供能量。且C39两端最大电压满足
  其中fmax表示最大的开关频率,由表达式(3)可求出C39的值。由于系统工作频率,我们将fr取100kHz,则可求出系统中的Lr的值。
  而由表达式(4)也可求出系统的励磁电感取值。
  最终取值为:
  Lb1=Lb2=400μH,Lr=112μH,Lm=600μH,C39=22nF,
  T1匝比为n=4。
  3.2 LLC的变压器T1的设计
  变压器T1使用ETD39磁心和18引脚骨架。先绕次级绕组,次级绕组使用175股40AWG(Φ为0.08mm)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。初级绕组使用75股40AWG(Φ为0.08mm)绞合线,从7引脚开始到9引脚结束,绕36匝,再绕2层聚酯膜。其电感量是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10mm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Φ为0.5mm的铜线。在铜皮外部用聚酯膜覆盖起来。
  3.3 基于PLC810PG的LLC控制电路
  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=2.2V。如果引脚FBP上的电压VFBP>VOVN=1.05×2.2V=2.31V,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<VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V,PFC电路则被禁止。如果VFBP<VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V,LLC级将关闭。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。
  设计的电路中52V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-)。
  4.PFC功率因数校正电路
  L4、PFC开关(MOSFET)Q3、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Q4、Q5等组成Q3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)。
  4.1 PFC升压电感器的设计
  PFC升压电感器L4使用PQ32/20磁心和12引脚骨架,L4主绕组使用#20AWG(美国线规,约<0.8mm)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(<0.3mm)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<0.5mm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。
  4.2 基于PLC810PG的PFC控制电路的设计
  U1引脚GATEP上的PWM信号驱动PFC开关Q3。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。
  5.实验研究
  在本文以上分析设计的基础上,试制了一台100W/100kHz(2A/52V)大功率LED驱动电源的样机。实验电路参数如下:单相输入电压Uin=220V(50Hz),输出功率Po=100W,工作频率fr=100kHz,负载为欧司朗公司1W高亮LED,共分4路,每路25只LED。
  图4所示为中点电压Vds2与副边二极管Dr2的电流波形,由图可知如图4(a),很明显在二极管关断前其电流已经到零,则二极管工作在ZCS状态,此时工作频率为90kHz;图4(b)为在二极管关断时,二极管电流恰好为零,此时系统工作在fr的工作频率上,fr为100kHz;图4(c)为在二极管关断前,二极管电流并不为零,此时副边的二极管失去了其ZCS特性,系统工作频率为125kHz。
  图5所示为半桥开关管Q1的电压、电流波形,由图可知开关管工作在ZVS状态。
  图6为100W样机测试波形,当其由45%~100%负载变化时,其PF大于0.96;THD在10%以内,满足IEEE519以及IEC61000-3-2标准;效率在87.2%~91.1%间变化,当系统满载时,其效率高达91.1%,母线电压由490V变为375V,满载时,母线电压为375V,纹波电压为5V,纹波频率为100Hz,由于输入为交流220V,则其交流输入电压峰值为311V,母线电压只略高于输入,不会达到二倍峰值输入,系统输出电压为52V,满载时纹波为1V。
  结束语
  本文结合当前大功率LED驱动电源的发展现状,提出一种适用于LED路灯的驱动电源。由于LLC的应用使系统能够工作在软开关状态下,提高了系统的工作效率。经测试,系统在满载时功率因数达0.992,THD为6.5%,效率高达91.1%。最后试制了样机,验证了设计方案的可行性和正确性。
  
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  基金项目:江阴职业技术学院2011年度科研基金资助项目(11-E-DZ-07);2011年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目“LED照明驱动电源的设计”。
  
  作者简介:石宏伟(1978—),女,江苏江阴人,江阴职业技术学院电子信息工程系讲师,研究方向:电子技术应用和高频开关电源的设计与应用。
  

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