大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

主回路設(shè)計(jì)
大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)主電路采用優(yōu)異的BOOST和DC/DC的兩級(jí)組合方式，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)流特性，解決了電網(wǎng)的諧波污染問題，使大功率LED驅(qū)動(dòng)電源更加綠色環(huán)保。

BOOST采用主動(dòng)式有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，工作在連續(xù)模式，諧波電流和開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。DC/DC采用半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，元器件數(shù)量有限，諧振儲(chǔ)能(tank)元件能夠集成到單個(gè)變壓器中，因此只需要1個(gè)磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級(jí)開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)條件，而次級(jí)二極管可以采用零電流開關(guān)(ZCS)工作，沒有反向恢復(fù)損耗。特別適用于中、高輸出電壓轉(zhuǎn)換器的高性價(jià)比、高能效和EMI性能優(yōu)異的解決方案。

傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。本設(shè)計(jì)采用了IR1150，它是一種新型的單周期AC／DC功率因數(shù)校正控制芯片，采用了IR公司的專利單周期控制(0ne-cycle control，OCC)技術(shù)，無須傳統(tǒng)PFC電路所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)并縮小了裝置體積。

半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器采用飛兆半導(dǎo)體公司推出的高集成度綠色FPS功率開關(guān)FSFR2100。其采用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)，能夠大幅降低MOSFET和整流器的開關(guān)損耗。采用這種技術(shù)，此FPS開關(guān)無須散熱器即可處理高達(dá)200W的功率，使用散熱器更可處理高達(dá)450W的功率。較之于傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，F(xiàn)SFR2100的效率提高了10%。它可以在輸入和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開關(guān)頻率變化相對(duì)很小。此外，它可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓切換（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實(shí)現(xiàn)ZVS的。

照明恒流驅(qū)動(dòng)電源主電路如圖3所示，前級(jí)APFC實(shí)驗(yàn)電路輸入電壓AC 220V，額定輸出DC 380V，開關(guān)頻率f選擇70kHz，后級(jí)半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。輸出電壓范圍：DC 300～360V，輸出額定電流350mA，諧振頻率f0選擇100kHz，變壓器匝比n=Np/NS=0.6，功率滿足150～300W的輸出功率范圍。主電路依次是85V～264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC（隔離）恒流→多顆LED串聯(lián)，APFC可以選用功率因數(shù)校正控制器IR1150、L6562和FAN7527B等，半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器選用FSFR2100。

圖3 大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源主電路

關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
LED照明驅(qū)動(dòng)方式，由于直接將RSET連接FB端會(huì)造成RSET的功耗過大，所以功率較小的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源往往在FB反饋端和RSET之間放置一個(gè)運(yùn)算放大器以降低功耗。如圖4所示，運(yùn)算放大器獲取采樣電阻RSET上的電壓，結(jié)合其他電阻和電容就可以構(gòu)成一個(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時(shí)，將RSET的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。

圖4 功率較小的LED恒流驅(qū)動(dòng)

大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源采用先穩(wěn)壓，再限流的混合方式。為適應(yīng)負(fù)載需要，電壓需要保證在一定范圍內(nèi)。LED的Vf值在3～3.6V之間，那么按LED實(shí)際數(shù)量即可確定電源部分需要調(diào)整的電壓范圍。大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)如圖5所示，設(shè)定穩(wěn)壓源的最大設(shè)定值VSET（比如DC360V），設(shè)定穩(wěn)流源的設(shè)定值ISET（300mA～1.4A），采樣RSET上的電壓，若超過穩(wěn)流源的設(shè)定值時(shí)，則輸出電壓相應(yīng)下降，根據(jù)LED燈串聯(lián)數(shù)量的多少，輸出電壓可降至最小值（如DC 300V）。

圖5 大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)

開關(guān)調(diào)節(jié)控制模式與電阻限流方式相比，電路成本較高；控制環(huán)路可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流；可實(shí)現(xiàn)幅值和低頻PWM調(diào)節(jié)；能夠?qū)崿F(xiàn)LED特性的自動(dòng)溫度補(bǔ)償；寬輸入電壓范圍；基本上不需散熱器，可節(jié)省成本，對(duì)于高輸入電壓和大工作電流，其他驅(qū)動(dòng)方案會(huì)導(dǎo)致非常高的損耗，然而此模式仍能保持高效工作。

技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓85～264V；頻率47～63Hz；輸出功率100W；輸出電流：350mA±5%或700mA±5%；輸出方式：多顆1W以上大功率LED串聯(lián)方式；輸出電壓范圍：DC 300～360V，效率≥90％，功率因數(shù)≥0.99，諧波≤5%，穩(wěn)流精度≤5%；具有定時(shí)、調(diào)流、關(guān)機(jī)功能；具有過壓、過流、短路和過溫保護(hù)功能；全密封，防水要求IP65，外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm，重量1.5kg。工作溫度-40～+70℃，儲(chǔ)存溫度-50～+85℃，符合相關(guān)安規(guī)、ROHS和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、防雷設(shè)計(jì)（ICE-61000-4-5 Class 4）。較好地滿足了照明工程的要求。