大功率LED照明電源設(shè)計方案 - 全文

　　摘要：介紹采用PFC控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W高效（》90%）高功率因數(shù)（》0.95）LED照明電源解決方案。該方案適用于直至1kW的電源供應(yīng)器，可用于LED照明、LED路燈、大型LED看板和大功率體育場館照明等。

　　美國“能源之星”等規(guī)范要求在任何功率電平上的離線式（off-line）LED照明電源具有高功率因數(shù)和高能效。對于普通照明用低功率LED驅(qū)動電源，采用基于專用控制器IC的單級功率因數(shù)校正（PFC）反激式電路拓撲是最基本的解決方案。這種拓撲結(jié)構(gòu)的特點是只使用一個功率開關(guān)，無需使用高壓電解電容器。對于100~200W的LED照明電源，人們通常采用PFC+反激式兩段式電路架構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)的特點是PFC升壓變換器被置于反激式轉(zhuǎn)換器的前端，PFC與反激式轉(zhuǎn)換器各使用一個功率開關(guān)。而對于200W以上的大功率LED照明電源供應(yīng)器，上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)并不適用。行之有效的解決方案是選擇PFC與其電感-電感-電容（LLC）相結(jié)合的電路架構(gòu)。為了實現(xiàn)高效率，主變壓器二次側(cè)可以采用同步整流方案。在這里介紹一種采用這種方案的350W LED照明電源設(shè)計實例，以供讀者參考。

　　1 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格與基本架構(gòu)

　　1.1 350W LED驅(qū)動電源技術(shù)規(guī)格

　?。?）輸入規(guī)格

　　AC輸入電壓：85~264 Vac;

　　AC最大輸入電流：5A;

　　線路功率因數(shù)PF：》0.95（230Vac，滿載）；

　　AC電源頻率：47~63Hz;

　　效率：》92%（230Vac，滿載）；

　　工作溫度：50℃；

　　工作環(huán)境：密閉；

　　散熱方式：無風(fēng)扇自然冷卻。

　　（2）輸出規(guī)格

　　輸出電壓Uo:36~40V;

　　輸出電流Io:5~10A;

　　電壓紋波：≤0.3V;

　　電流紋波：《0.1A;

　　控制模式：恒定電壓/恒定電流。

　　1.2 系統(tǒng)組成方框圖

　　350W LED照明電源主要由EMI濾波器、基于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）功率因數(shù)控制器CM6807的PFC升壓變換器、基于CM6900的LLC諧振半橋變換器及同步整流器等部分組成，圖1為其基本架構(gòu)方框圖。

　　2 實際電路

　　基于CM6807和CM6900的350W LED照明電源電路如圖2所示。我們對系統(tǒng)中各個單元電路作簡要介紹。

　　2.1 PFC升壓變換器與輔助電源

　　350W LED照明電源的PFC升壓變換器與輔助電源電路如圖2（a）所示。

　　（1）輸入級電路

　　輸入級電路由EMI濾波器和橋式整流器組成。在圖2（a）中，電容C3、C4、C5和C11~C14及電感元件T1、T2等，構(gòu)成輸入EMI濾波器；BR1為橋式整流器；FU1為保險絲；RT1為NTC熱敏電阻。EMI濾波器被用作限制和衰減共模與差模噪聲，RT1用作限制系統(tǒng)啟動時因?qū)Υ箅娙軨7充電引起的浪涌電流。

　　（2）有源PFC升壓變換器

　　功率因數(shù)控制器U1（CM6807）、功率開關(guān)VT2、升壓電感器L1、升壓二極管VD3、輸入電容C9/C10、輸出電容C7、電流傳感電阻R4等，組成DC/DC有源PFC升壓變換器。PFC級電路工作在連續(xù)模式。輸入電流經(jīng)R5、R8和R13通過U1引腳②檢測。輸出DC總線電壓（395V）經(jīng)分壓器R7、R10、R12和R13采樣，饋送至U1引腳FB.U1的引腳④為電壓誤差放大器輸出，C17、C18和C21為補償網(wǎng)絡(luò)。通過PFC級的電流被R4感測，并經(jīng)R11和C20由U1引腳③來檢測。U1引腳⑨上的驅(qū)動輸出推動VT1/VT3和VT2.PFC升壓變換器的作用是在橋式整流器BR1的輸入端產(chǎn)生一個與AC輸入電壓趨于同相位的正弦電流，能夠滿足IEC61000-3-2標準規(guī)定的諧波電流限制要求，系統(tǒng)功率因數(shù)遠高于0.95，并且在85~264V的AC輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出一個395V的穩(wěn)定DC電壓。

　?。?）啟動電路與偏置電源

　　R5、R8、R6、R9、VT4、VD4和C16等，組成U1引腳⑧上的肩動電路，U1一旦啟動，PFC進入操作狀態(tài)，U1引腳③則由L1引腳③與④之間的輔助繞組、C1和C2、VD1和VD2、R15、VZ1、VT5及C16等組成的偏置電源供電。

　　2.2 LLC半橋諧振功率級

　　LLC半橋諧振功率級電路如圖2（b）所示。該功率級主電路由圖2 （c）所示的控制電路來控制。在圖2 （b）中，功率開關(guān)VT6、VT8、電容C23、電感L3以及變壓器T3引腳③與引腳⑥之間的初級電感組成半橋LLC串聯(lián)諧振電路。T3二次側(cè)上的VT7和VT9組成同步整流器電路，可使LLC諧振半橋變換器的工作效率達96%以上，比傳統(tǒng)LLC諧振半橋功率級的效率提高4%~5%。

　　C25/C26、L4和C27/C28構(gòu)成LC濾波電路，可以保證DC輸出電壓紋波小于300mV.R23為輸出電流感測電阻。電源的DC輸出可以驅(qū)動350W的LED模塊或陣列。

　　2.3 基于CM6900的恒壓/恒流（CV/CC）控制電路

　　采用CM6900作半橋諧振控制器的CV/CC控制電路見圖2 （c）。

　?。?）偏置電源

　　圖2（a）中L1引腳⑤與⑥之間的輔助繞組，與圖2（c）中的C29/C30、VD7/VD8、VZ2、VT14、R27和C31等，組成輸出12V的穩(wěn)壓電源，為U2（CM6900）和運放U3（LM358）等提供偏置。

　?。?）控制與驅(qū)動電路

　　在圖2（c）中，U2引腳⑨外部的R32和C38設(shè)定振蕩器頻率。LED驅(qū)動電源的輸出電壓（+40V）經(jīng)電阻分壓器R26、R27和PR1取樣，反饋到U2的引腳②，以執(zhí)行輸出電壓調(diào)節(jié)。流經(jīng)輸出電流感測電阻R23［見圖2（b）］的電流經(jīng)U3B放大150倍，并經(jīng)R42和R48分壓后，由U3A作緩沖器加入到輸出電壓的反饋回路，使輸出電流被控制在恒定值。VT19的門極與地之間連接一個開關(guān)S.當S關(guān)斷時，VT19導(dǎo)通，U3B的輸出被R42和R48、R46分壓至2.5V，使LED驅(qū)動電源輸出10A的最大恒流。當S接通時，VT19截止，U3B輸出被R42和R48分壓至1.25V，LED驅(qū)動電源輸出電流則為5A.

　　U2引腳（14）和（13）上的輸出，通過晶體管VT10/VT11和VT12/VT13來驅(qū)動變壓器T4.T4的二次繞組輸出驅(qū)動圖2（b）半橋中的VT6/VT8.U2的引腳（12）和（13）上的輸出，通過VT14/VT15和VT16/VT18來驅(qū)動圖2（b）中的同步整流器VT7和VT9.

　　3 結(jié)束語

　　采用CCM功率因數(shù)控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W LED電源供應(yīng)器，同時采用同步整流方案，可以提供CV/CC控制，實現(xiàn)高于0.95的功率因數(shù)和高于90%的效率。該設(shè)計方案適用于100~1000W的電源供應(yīng)器，可應(yīng)用于LED照明、LED路燈、大型LED看板以及體育場館LED照明等。