一種高性能可智能控制型LED路燈驅動電源的設計

摘要：本文針對傳統(tǒng)驅動電源電能損耗大、效率和智能化程度低的缺點，設計了一款適用于大功率LED路燈的高性能可智能控制型驅動電源。本文選擇了多級驅動方案，即功率因數(shù)校正（PFC）電路、LLC諧振控制電路和多路恒流輸出的三級式結構。本文采用合理的設計，優(yōu)化了功率校正因數(shù)，增大了輸入電壓范圍，提高了整機效率，使輸出電流在全負載范圍內更加穩(wěn)定，同時增加了PWM調光控制功能，可根據外界環(huán)境的變化智能控制LED路燈的亮度，從而達到進一步節(jié)能減排的效果。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269822.htm

關鍵詞：LED驅動；PFC；LLC諧振控制器；恒流驅動；智能控制

DOI：10.3969/j.iss n.1005-5517.2015.2.015

曹永（1989-），男，碩士，研究方向：電子電路，半導體照明。

引言

由于具有高光效、長壽命、燈具效率高、環(huán)保和易于調光控制等優(yōu)點，半導體照明是目前被各國公認為最有發(fā)展前景的高效照明產業(yè)，被稱作繼白熾燈、熒光燈后照明光源的又一次革命。我國推出的“十城萬盞”計劃，使LED路燈得到了越來越多的應用。但是，LED路燈在取代傳統(tǒng)路燈的道路上還有許多亟待解決的難題，主要包括光學設計、散熱以及驅動電源等問題，同時智能控制和無線通信也成為LED路燈的研究重點。

本文采用多級驅動方案，使驅動具有較高的功率因數(shù)和效率，并解決了傳統(tǒng)方案驅動器件多、成本高、體積大的缺陷。易于調光控制也是LED照明的一大優(yōu)點，設計中采用了可PWM調光的模塊，使得驅動電源具有智能控制的接口，便于在此基礎上開發(fā)LED路燈智能照明控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)采用3級驅動電路結構，系統(tǒng)結構圖如圖1，前級是功率因數(shù)校正電路，主要作用是采用諧波抑制技術限制諧波的含量。中間級是LLC諧振電路，完成隔離和降壓功能，保證電路具有較高的轉換效率。最后一級為恒流輸出電路，為LED提供恒定的電流，同時具有PWM調光控制功能，通過智能控制系統(tǒng)來調節(jié)LED的亮度。

2 驅動電路原理及實現(xiàn)

2.1 PFC電路的設計

為了提高電能的利用率，現(xiàn)在一般的開關電源都需要在前級加入功率因數(shù)校正（PFC）電路，其中升壓PFC有源功率因數(shù)校正是最具成本效益的方法。本文采用PI公司推出的PFS708EG專用芯片，該芯片具有極高的集成度，集成了一個連續(xù)導通模式（CCM）升壓PFC控制器、柵極驅動器、超低反向恢復二極管和高壓功率MOSFET，采用了創(chuàng)新的恒定伏秒/安秒控制方法，可極大減少元器件數(shù)量、降低裝配成本和布板尺寸。圖2所示為PFS708EG的典型應用圖。

本設計采用一種恒定的安培一秒導通時間和恒定的伏一秒關斷時間控制方法，該方法可以調節(jié)輸出電壓和整形輸入電流以使其符合諧波電流限值（高功率因數(shù)）。即控制開關電流在導通時間內具有恒定的安培一秒從而使平均輸入電流跟隨輸入電壓，同時保持由升壓電感器的電磁特性所決定的恒定的伏一秒平衡，從而調節(jié)輸出的電壓和功率。如下所示，設置關斷時間（toff）的恒定伏一秒為：

其中VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，K1為常數(shù)，由于導通時間的伏一秒必須等于關斷時間的伏-秒來保持PFC扼流圈的磁通平衡，所以導通時間被設置為：

該控制器同時也在MOSFET的各周期設置恒定的充電時間，因此有：

由上面3式可以得到：

上式表明，輸入電流iIN正比于輸入電壓VIN，因此滿足了對于功率因數(shù)校正的基本要求。

由上述原理可知，在升壓PFC電路中電感Ll用于當MOSFET導通時儲存能量，而對于本設計中的連續(xù)導通模式，當MOSFET關斷時只有一部分儲存的能量被傳遞到輸出電路。設計中所需的最小電感值的計算方式如下：

其中Vo為PFC端的輸出電壓，VIN為PFC端瞬時輸入電壓，VMIN（PK）是低線路輸入電壓峰值，A/為紋波電流的峰峰值，F(xiàn)s為電路的開關頻率，D為占空比。圖中C2為PFC端輸出電容，作為能量儲存器為輸出電壓濾波，決定了輸出電壓的紋波，輸出電容既要滿足保持時間所需的電容值，也要求滿足輸出紋波的要求，其計算方式如下面兩式所示，選取計算所得的較高電容值作為輸出電容值。

2.2 LLC諧振電路設計

LLC諧振電路是LED路燈驅動電路的核心部分，LLC諧振電路是在傳統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)LC諧振電路的基礎上產生的，它實現(xiàn)了軟開關，具有較高的功率密度和效率。本設計采用PI公司生產的LCS702HG控制芯片，它集成了LLC控制器、上管和下管驅動器以及兩個半橋MOSFET，此控制器通過改變頻率，使得MOSFET在零電壓時切換，消除了損耗，提高了效率，其高度的集成度減少外部元器件多達30個，降低了成本且減小了PCB面積。其電路設計如圖3所示。

LLC轉換器要求在開關半周期之間具有固定的死區(qū)時間。如圖3所示，連接于DT/BF引腳、VREF引腳和接地引腳之間的電阻分壓器用于設定死區(qū)時間，最大啟動頻率以及脈沖閾值頻率。FB引腳是反饋回路的頻率控制輸入端。頻率與反饋引腳電流成正比。引腳HB的輸出通過一個諧振電容C2驅動輸出變壓器Tl，該電容用于確定工作紋波電流和在故障條件下能夠承受的高電壓。

變壓器Tl的漏感設計為50μH，這樣和諧振電容C2-起確定了初級串聯(lián)諧振頻率，如下式所示：

為實現(xiàn)最低成本和最小尺寸，采用—250KHz的額定工作頻率，這樣可以使用較低成本的陶瓷電容來代替點解電容，延長驅動電路的壽命。

2.3 恒流輸出電路設計

由LED的發(fā)光原理可知，LED驅動電源更適合采用恒流輸出的方式。本設計采用TI公司的LM3406HV作為控制芯片，LM3406HV采用受控導通時間結構，該結構可以確保無論輸入及輸出電壓如何變動，開關頻率都恒定不變，因此LM3406HV的輸出電流極為準確，瞬態(tài)響應也極快。LM3406HV支持PWM調光，可以使用專用邏輯引腳或者PWM開關電源來實現(xiàn)。圖4是LM3406HV的典型應用圖。

如圖4所示，導通時間ton可通過外部電阻Ron、輸入電壓VIN和輸出電壓Vo設置，導通時間由以下公式確定：

DIM引腳是一個PWM調光輸入引腳，當輸入為低電平（小于0.8V）時將會禁止內部MOSFET，同時關斷流向LED的電流。調光頻率和占空比由LED電流上升時間和下降時間以及激活DIM引腳的延遲所限制，在一般情況下，調光頻率應該比穩(wěn)態(tài)開關頻率低至少一個數(shù)量級以防止混疊。

3 實驗結果

設計一個輸入電壓范圍為90VAC～265VAC，輸出功率為150W，輸出為5路輸出，電流為0.7A的測試樣機。測試樣機的主要技術參數(shù)為：1）PFC電路L1=1.80mH，C1=120μF；2）LLC諧振電路諧振電容CR=6.2nF，RFMAX=36.5kQ， RBURST=5.11KΩ；3）恒流電流RON=143KΩ，CIN=4.7μF，

3.1 功率校正因數(shù)測試結果與分析

圖5是在輸入50Hz交流正弦波電源，負載為50%和100%的情況下，PF值隨輸入電壓的變化曲線，由圖可知，在220VAC范圍內，PF值都可以達到0.9以上，在滿載的情況下更是基本達到0.98。可見本設計具有較高的功率校正因數(shù)，極大地提高了LED路燈驅動電源的性能。

3.2 驅動電路效率的測試結果和分析

圖6是LED驅動電源前兩級（PFC與LLC諧振電路）的效率曲線，如圖所示，在輸入電壓范圍內，在50%和100%負載下，效率都達到0.9以上。同時在正常工作電壓下，即48V的情況下，恒流模塊的效率達到了0.96，也達到了較優(yōu)的性能。由上述可知本設計具有較高的效率，減少了電路的損耗。

3.3 智能控制調光測試結果與分析

通過外圍檢測電路和智能控制核心對驅動電路輸入PWM信號，如下圖所示，圖7（a）所示為調光占空比為10%時一路LED的狀態(tài)，圖7（b）是調光占空比為50%-路LED的狀態(tài)。由此可見，該驅動電源可實現(xiàn)PWM調光的功能。

4 結論

智能化和網絡化控制路燈是未來路燈控制的發(fā)展方向和必然趨勢。所以本文提出了一種高性能多路輸出的可PWM調光的大功率LED路燈驅動電路，以適用于需要智能化和網絡化控制的LED路燈控制系統(tǒng)。

（上接44）

仿真及實驗結果表明，該控制方法下LLC諧振變換器主要的電流和電壓波形與上述理論分析一致，電路輸出在很短的時間內就可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，而且電壓電流的波動非常小，基本沒有振蕩，很好地實現(xiàn)了諧振電路的控制。

4 結論

本文提出的軌跡控制方法原理簡單，比較容易實現(xiàn)，且易于實現(xiàn)數(shù)字控制的多重化結構設計。仿真及實驗結果表明采用該軌跡控制方法LLC諧振電路在輸出電壓改變時無超調和振蕩，系統(tǒng)動態(tài)性能表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，在很短的時間內就可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。