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LED路灯的PFC开关电源设计方案

发布时间:2017-05-31

  LED路灯是低电压、大电流的驱动器件,其发光的强度由流过LED的电流决定,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此LED的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC(功率因素校正)和恒流问题,还需有比较高的转换效率,有较小的体积,能长时间工作,易散热,低成本,抗电磁干扰,和过温、过流、短路、开路保护等。本文介绍了基于LED路灯的PFC开关电源设计方案。方案采用有源PFC功能电路设计的室外LED路灯电源,内置完整的EMC电路和高效防雷电路,符合安规和电磁兼容的要求。最后测试结果也表明,本方案所设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高,在LED路灯使用过程中取得满意的效果。

  1 系统总体框图

  采用隔离变压器、PFC控制实现的开关电源,输出恒压恒流的电压,驱动LED路灯。电路的总体框图如图1所示。

LED路灯模块工作原理

  LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。LED路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此

  图中T1为高频隔离变压器,VQ1为CMOS功率三极管17N80C3,VD7和VD8是瞬变抑制二极管,VD6为快恢复二极管,VD5为双二极管,C3、C4、C5和C6为电解电容器。Ubout是来自整流桥的脉动直流信号,GD是来自功率因数校正电路的控制信号。变压器的引线l和2组成一个绕组,给PFC器件提供工作电源,引线11和12组成一个绕组,为恒流恒压器件和比较器提供工作电源。

  3 反馈网络电路设计

  3.1恒流恒压电路

  本设计使用恒流恒压控制器件TSM101调节输出电压和电流,使之稳定。电路如图3所示。通过TSM101的控制作用,保证了电源恒流(CC)和恒压(CV)工作。图3中,Uout+和Uout-是隔离变压器经过双二极管和电解电容器滤波的电压,再经电感L4和电容滤波后的输出为Uout+和Uout-,为本电源模块的输出电压,直接加在LED路灯上。可调电阻器RV1和RV2分别调节输出电压和电流的大小。R10和R11为22mΩ的电阻,分别对电源输出的电压和电流采样。TMS101的输出TOUT通过光电耦合器、可控硅和三极管等电路送到L6561的引脚5,通过反馈电路实现恒流控制。器件引脚8接辅助电源,引脚4接变压器T1副边地。

LED路灯恒流恒压电路图

  3.2比较器电路

  采用比较器LM258,电路如图4所示。

LED路灯比较电路图

  输出端的采样电阻两端的电压信号VR+和VR-送到比较器LM258,通过与预设电压进行比较,产生电压反馈信号DOUT.VF为变压器T1副边绕组产生的辅助电源。

  4 PFC电路设计

  本设计采用最常见的有源功率因数校正的控制器件L6561.PFC电路如图5所示。

LED路灯PFC电路如图

  L6561的引脚8为电源输入端,由变压器T1的副边绕组提供;引脚7为驱动信号输出引脚,直接驱动MOS管VQ1;引脚6为参考地,该引脚和主回路的地连在一起;引脚5为过零检测引脚,用于确定何时导通MOS管。变压器T1的引脚1和引脚2组成的绕组,通过电阻将电感电流过零信号传输至该器件的引脚5,同时比较器LM258产生的信号DOUT通过光耦、三极管、可控硅等传输至器件的引脚5,以检测输出电流。引脚4为MOS管电流采用引脚,器件将该引脚检测到的信号与器件内部产生的电感电流信号相比较,来确定何时关断MOS管。图2中电阻R4作为电流检测电阻,采样MOS管电流,该电阻一端接于系统地,另一端同时在MOS管的源极和器件的引脚4.引脚3为器件内部乘法器的一个输入端,该引脚与整流桥电路输出电压相连,确定输入电压的波形与相位,用以生成器件内部的电感电流参考信号。图5中,Ubout经3只电阻分压后传送到引脚3.引脚2为内部乘法器的另一个输入端,同时为电压误差放大器的输出端,引脚1为系统反馈电压的输入端。恒流恒压器件的输出TOUT通过光耦将电压反馈传送到器件的引脚1,形成输出电压的负反馈回路。电阻R28和电容C18连接于器件的引脚1和引脚2之间,用于形成电压环的补偿网络。

  5测试结果

  电源模块电装完后,加上负载,用示波器对关键点测试,图6(a)为整流桥的输出电压Ubrout+,图6(b)为Ubrout+流过电感后的电压Ubout+的波形,图6(c)为双二极管的输出电压Ucout+的波形。

LED路灯输出电压Ucout+的波形图

  测试结果表明,功率为90W,功率因数达0.95.根据用户需求可在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。

  6结论

  本方案采用有源PFC功能电路设计的室外LED路灯电源,内置完整的EMC电路和高效防雷电路,符合安规和电磁兼容的要求。采用电压环反馈,限压恒流,效率高,恒流准,范围宽,实现了宽输入,稳压恒流输出,避免了LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定。测试结果也表明,本方案所设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高,在LED路灯使用过程中取得满意的效果。

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