基于PLC810PG的LED路燈電源電路設(shè)計(jì) - 全文

采用PLC810PG的150W LED路燈電路，輸入電流總諧波失真(THD)<7.5%，線路功率因數(shù)(PF)≥0.97，輸出48V/3.125A，電路總效率ytotal>92%，傳導(dǎo)EMI滿足EN5SO228/CISPR22B規(guī)范要求，安全性符合IEC950/UL1950(II類)規(guī)定。

　　前言

　　LED路燈供電電源有兩種主要方式：一種是使用交流(AC)市電供電;另一種是利用太陽能供電。當(dāng)使用工頻市電電源(如220/110V，50/60Hz)為LED路燈供電時，需要將AC高壓轉(zhuǎn)換為低壓恒流直流(DC)電壓。最簡單的AC/DC轉(zhuǎn)換方案是使用AC降壓變壓器加整流穩(wěn)壓電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，元件數(shù)量較少，成本較低，但其性能卻不能滿足許多規(guī)范要求。LED路燈功率通常遠(yuǎn)大于75W，當(dāng)采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，必須滿足IEC61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于D類設(shè)備電流諧波限制性規(guī)定，同時還必須符合對C類(照明)設(shè)備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規(guī)范對功率因數(shù)(PF)不能低于0.9的要求。為達(dá)此目的，LED路燈電源必須采用功率因數(shù)校正(PFC)，同時還要求采用支持相應(yīng)功率的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。美國PI公司推出一種型號為PLC810PG的PFC/LLC組合控制IC，支持150~600W的LED路燈電源、32至60 LCD TV電源和PC主電源及工作站電源。

　　PLC810PG采用24引腳窄體塑料封裝，符合歐盟RoHS指令要求。PLC810PG集成了PFC/LLC控制器和PFC MOSFET(柵極)驅(qū)動器及半橋高/低端MOSFET(柵極)驅(qū)動器，PFC與LLC頻率和相位同步化，具有過電壓、電壓過低、過電流保護(hù)和軟啟動等功能，為目前設(shè)計(jì)LED路燈電源提供了一種重要的解決方案。

　　1、基于PLC810PG的150W LED路燈電源電路及其工作原理

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　　采用PLC810PG的150W LED路燈電源電路如圖1所示。

　　圖1所示的LED路燈電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器等幾個主要部分。

　　1.1 輸入電路、PFC級主電路及偏置電源

　　LED路燈電源的輸入濾波器、橋式整流器(BR1)、連續(xù)模式(CCM)PFC升壓變換器功率級和控制IC的偏置電源電路顯示在圖1(a)中。

　　1.1.1 EMI濾波器

　　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(hù)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(qū)中的諧振峰值。當(dāng)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。

　　PFC電感器L4有一個接地屏蔽帶，能阻止靜電和磁噪聲耦合到EMI濾波器元件中。PFC開關(guān)Q2(MOSFET)散熱器經(jīng)電容C80連接到初級地(B-)，消除了散熱器作為傳導(dǎo)噪聲源進(jìn)入機(jī)殼底板。

　　1.1.2 輸入保護(hù)

　　F1是保險絲，起短路保護(hù)作用。RV1用作過電壓保護(hù)。RT1是NTC熱敏電阻，在電路啟動期間限制浪涌電流。當(dāng)電路啟動之后進(jìn)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%。

　　1.1.3 PFC升壓變換器主電路

　　L4、升壓二極管D2、PFC開關(guān)Q2、輸出電容C9等，組成連續(xù)電流模式(CCM)PFC升壓變換器主電路。在AC輸入電壓范圍為140~265V時，PFC輸出直流(DC)升壓電壓(VB+)穩(wěn)定在385V，并且在橋式整流器BR1輸入端產(chǎn)生正弦電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性負(fù)載，線路功率因數(shù)接近于1。

　　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。

　　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(hù)U1(PLC810PG)的電流感測輸入。

　　在系統(tǒng)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(xiàn)飽和的可能性。PFC級輸入小電容C7用作旁路高頻成分，C7宜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(huán)路元件的EMI。

　　1.1.4 偏置電源與啟動電路

　　偏置電源高頻信號來源于L4的副繞組(即偏置繞組)。D22、D23、R109、C75、C76組成倍壓整流濾波電路。Q24、Q25、Q27和齊納(穩(wěn)壓)二極管VR9、VR10、VR11等組成偏置穩(wěn)壓器和啟動電路。在系統(tǒng)通電后，BR1輸出經(jīng)R113和Q24、D24對C70充電，為控制器U1(PLC810PG)提供啟動偏置，晶體管Q27、R111和VR9形成簡單射極跟隨穩(wěn)壓器。當(dāng)偏置電壓Vcc達(dá)到穩(wěn)壓值時，Q25關(guān)斷啟動電路，同時Q26導(dǎo)通，接通繼電路RL1，將熱敏電阻RT1短路。

　　1.2 PFC/LLC控制電路及LLC轉(zhuǎn)換器

　　PFC電路控制輸入及LLC變換器電路見圖1(b)。

　　1.2.1 PFC控制電路

　　U1引腳GATEP上的PWM輸出經(jīng)R44驅(qū)動Q1、Q3和Q2。R6和R8上的電流傳感信號經(jīng)R45、C73低通濾波，輸入到U1的ISP引腳，以執(zhí)行PFC控制算法，提供過電流保護(hù)。PFC輸出電壓VB+(385V)經(jīng)R39~41、R43、R46和R50組成的分壓器檢測，并經(jīng)C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP，用作對輸出電壓VB+進(jìn)行調(diào)節(jié)，并提供過電壓和電壓過低保護(hù)。U1引腳VCOMP外部元件，用作頻率補(bǔ)償。

　　1.2.2 控制器U1電源與地隔離

　　Vcc經(jīng)電阻R37、R38加至U1引腳VCC和VCCL，將U1的模擬和數(shù)字供電分離。引腳VCCL為U1中半橋低端(下橋)驅(qū)動器供電，而半橋高端(上橋)驅(qū)動器則由自舉二極管D8、電容C23和電阻R42供電，并從引腳VCCHB施加。電容C29、C32和C31分別為U1引腳VCC和VCCL提供退耦和旁路。

　　R55、鐵氧體磁珠L7為FPC和LLC地(GND和GNDL)提供隔離。磁珠L6在Q10源極(驅(qū)動回復(fù))與U1之間提供高頻隔離。

　　1.2.3 LLC諧振轉(zhuǎn)換器

　　(1)LLC輸入級

　　Q10和Q11是LLC轉(zhuǎn)換器的半橋高/低端MOSFET，它們由U1經(jīng)電阻R56和R58直接驅(qū)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(jié)合進(jìn)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。

　　(2)LLC輸出級

　　變壓器T1次級輸出經(jīng)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。

　　(3)LLC控制電路

　　連接在T1初級繞組下端和Q11源極之間的R59是電流傳感電阻。R59上的電流感測信號經(jīng)R47、C35濾波輸入到U1引腳ISL，以執(zhí)行快速和慢速兩電平過電流保護(hù)。

　　48V的輸出被電阻R67、R66分壓采樣，經(jīng)2.5V穩(wěn)壓器U3、光電耦合器U2、R54、D16、R53等，輸入到U1的FBL引腳，以履行閉環(huán)反饋，進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)，并提供過電壓保護(hù)，開關(guān)頻率與饋入引腳FBL的電流有關(guān)，流入引腳FBL的電流越大，LLC級的工作頻率也就越高。LLC最高開關(guān)頻率由連接在U1引腳FMAX與VRFE之間的電阻設(shè)定，可以為200~300KHz。開關(guān)頻率下限由電阻R47、R51和R53設(shè)定。適當(dāng)選擇R52和R53，可以在輕載或無載時強(qiáng)LLC變換器進(jìn)入突發(fā)模式(burst mode)。在該工作模式給出足夠的死區(qū)(即非交迭)時間，以保證MOSFET(Q10、Q11)零電壓開關(guān)(ZVS)操作。

　　U1引腳VREF外部C27是LLC級軟啟動電容。軟啟動時間由C27、R49和R51共同設(shè)置，其值可表示為：C27×[(R49×R51)/(R48+R51)]。

　　U3和U2周圍元件C24、C44、C51、R30、R70和R107等，為LLC級提供頻率補(bǔ)償。齊納二極管VR12的穩(wěn)壓電壓降低48V輸出，對U2起保護(hù)作用。

　　2、150W LED路燈電源主要元件選擇

　　2.1 功率MOSFET

　　PFC開關(guān)Q2選用STW 20NM50FD，500V，20A，導(dǎo)通電阻0.22Ω，采用TO-247AC封裝。

　　半橋開關(guān)Q10和Q11選用IRFIB7N50LPBF型N溝道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC封裝。

　　偏置電源中的Q24，選用600V、0.4A、8.5Ω采用SOT-223封裝的STN1HNK60型N溝道MOSFET。

　　2.2 雙極晶體管

　　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，Q27選用80V、0.5A，采用SOT-89封裝的BST52TA型NPN晶體管。

　　2.3 鐵氧體磁珠

　　鐵氧體磁珠L6、L7尺寸為3.5mm×4.45mm，68Ω( @100KHz)，孔洞22AWG(美國線規(guī)，孔洞直徑φ0.63mm)。

　　鐵氧體磁珠1~4，尺寸為φ3.5mm×3.25mm(長)，21Ω(@25MHz)，孔洞φ1.6mm。

　　2.4 PFC電感器L4

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　　PFC升壓電感器L4采用PQ32/20磁心和12引腳配套骨架，電氣圖和構(gòu)造圖分別如圖2和圖3所示。在圖3中，引腳1與6之間的主繞組用作PFC升壓電感器，引腳8與7之間的繞組為偏置繞組。

　　具體的L4結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　表1 PFC電感器L4繞組結(jié)構(gòu)

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　　注：L4主繞組(引腳1~6)電感量在100KHz和0.4V時是580μH(±10%)

　　2.5 LLC變壓器T1

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　　LLC變壓器T1選用ETD39磁心和18引腳骨架，電氣圖和構(gòu)造圖分別如圖4和圖5所示。

　　T1電氣特性如表2所示。

　　表2 LLC變壓器電氣參數(shù)

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　　表3列示了T1的繞組結(jié)構(gòu)。

　　表3 LLC變壓器繞組結(jié)構(gòu)

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　　3、150W LED路燈電源性能

　　圖1所示的150W LED路燈電源，AC輸入電壓范圍是140~265VAC，DC輸出是48V/3.125A。其它主要性能如下。

　　3.1 AC輸入電流諧波

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　　LED路燈電源的AC輸入電流諧波滿足IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)限量要求。圖6為在滿載和半載(50%負(fù)載)下AC輸入電流總諧波失真(THD)與AC輸入電壓的關(guān)系曲線。由圖6可知，在滿載下，THD<7.5%，在200VAC時的THD=2%。

　　3.2 線路功率因數(shù)

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　　由于LED路燈離線(off-line)電源帶有功率因數(shù)校正，滿載下的線路功率因數(shù) PF>0.965;在140~220VAC范圍內(nèi)，PF≥0.98，如圖7所示。

　　3.3 電源效率

　　在滿載時，PFC級效率PFC> 95%(@140VAC)，LLC級效率LLC>95%，系統(tǒng)總效率total>92%(@200~265VAC)。

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　　圖8為在不同負(fù)載上系統(tǒng)效率與AC輸入電壓的關(guān)系。

　　3.4 EMI與安全性

　　LED路燈電源傳導(dǎo)EMI符合CISPR22B/EN55022B規(guī)范要求，安全性滿足IEC950/UL1950 II類要求。

　　4、小結(jié)

　　采用PFC/LLC控制器PLC810PG的150W LED路燈電源，為設(shè)計(jì)高性能離線LED路燈電源提供了一種具有指導(dǎo)性和實(shí)用性的解決方案。