LED路燈驅動電源的設計

程增艷，王 軍，朱秀林

（中船重工七二二研究所 湖北 武漢 430079）

LED路燈是低電壓、大電流的驅動器件，其發光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度，因此LED的驅動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度[1]。用市電驅動大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題，還需有比較高的轉換效率，有較小的體積，能長時間工作，易散熱，低成本，抗電磁干擾，和過溫、過流、短路、開路保護等。本文設計的PFC開關電源性能良好、可靠、經濟實惠且效率高，在LED路燈使用過程中取得滿意的效果。

圖1 模塊工作原理圖

1 基本工作原理

采用隔離變壓器、PFC控制實現的開關電源，輸出恒壓恒流的電壓，驅動LED路燈。電路的總體框圖如圖1所示。

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路燈裝在戶外更要加強浪涌防護。由于電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動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。

三相交流電經過全橋整流后變成脈動的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開關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過高頻整流、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控制，以實現對輸出電壓的調整和輸出電流的限制。反饋網絡采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反饋信號通過光耦送給PFC器件L6561。由于使用了PFC器件使模塊的功率因數達到0.95。

2 DC/DC變換器

DC/DC變換器的類型有多種，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合，其激勵電路復雜，實現起來較困難；而正激式和反激式電路則簡單易行，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輸出電壓會發生較大的變化，故DC/DC變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩定不變[2]。

反激式開關電源主要應用于輸出功率為5～150 W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。開關管導通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供；開關管關斷時，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消耗的能量[6]。

圖2 高頻DC/DC變換原理圖

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是來自整流橋的脈動直流信號，GD是來自功率因數校正電路的控制信號。變壓器的引線1和2組成一個繞組，給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。

3 反饋網絡電路

3.1 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TSM101的控制作用，保證了電源恒流（CC）和恒壓（CV）工作。

圖3 恒流恒壓電路

圖3中，Ucout+和Ucout-是隔離變壓器經過雙二極管和電解電容器濾波的電壓，再經電感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。可調電阻器RV1和RV2分別調節輸出電壓和電流的大小。R10和R11為22 mΩ的電阻，分別對電源輸出的電壓和電流采樣。TMS101的輸出TOUT通過光電耦合器、可控硅和三極管等電路送到L6561的引腳5，通過反饋電路實現恒流控制。器件引腳8接輔助電源，引腳4接變壓器T1副邊地。

3.2 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，通過與預設電壓進行比較，產生電壓反饋信號DOUT。VF為變壓器T1副邊繞組產生的輔助電源。

4 PFC電路

本設計采用最常見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為驅動信號輸出引腳，直接驅動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為過零檢測引腳，用于確定何時導通MOS管。變壓器T1的引腳1和引腳2組成的繞組，通過電阻將電感電流過零信號傳輸至該器件的引腳5，同時比較器LM258產生的信號DOUT通過光耦、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生的電感電流信號相比較，來確定何時關斷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輸入端，同時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，用于形成電壓環的補償網絡[3-5]。

5 測試結果

電源模塊電裝完后，加上負載，用示波器對關鍵點測試，圖 6（a）為整流橋的輸出電壓 Ubrout+，圖 6（b）為 Ubrout+流過電感后的電壓Ubout+的波形，圖6（c）為雙二極管的輸出電壓Ucout+的波形。

圖6 測試輸出波形

6 結 論

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。采用電壓環反饋，限壓恒流，效率高，恒流準，范圍寬，實現了寬輸入，穩壓恒流輸出，避免了LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED的亮度穩定。整機元件較少，電路簡單。功率為90 W，功率因數達0.95。根據用戶需求可在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

[1]陳元燈.LED制造技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]沈慧.大功率照明LED恒流驅動芯片的設計[D].杭州：浙江大學，2006.

[3]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

[4]周志敏，周紀海，紀愛華.開關電源功率因數校正電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[5]ST Products.L6561 power factor corrector datasheet[DB/OL].（2004-07）.http：//www.st.com/stonline/books/pdf/docs/5109.pdf.

[6]楊旭，裴云慶，王兆安.開關電源技術[M].北京：機械工業出版社，2004.