基于組合離線控制器的LED路燈驅動電路設計

摘　要： PLC810PG是一種帶集成半橋驅動器的PFC與LLC組合離線控制器。基于PLC810PG的150W LED路燈電源，功率因數(shù)PF≥0. 97,系統(tǒng)效率ηtotal ≥92% ,符合IEC61000 - 3 - 2中對諧波電流的規(guī)定限制。

LED路燈技術主要有兩大部分：一個是離線(off2line) LED驅動電源技術;另一個是LED 路燈模塊及其散熱和燈具技術。LED路燈電源大多采用開關型電源( SMPS)拓撲結構。由于LED路燈功率通常達150 W 以上，不宜再沿用單開關反激式電路，而必須采用支持相應功率的電路拓撲，例如半橋LLC諧振拓撲結構。

由于用來取代高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源用于道路照明的LED路燈功率往往遠超過75 W,因此要求LED路燈電源AC輸入電流諧波含量必須符合IEC610002322等標準規(guī)定限制。為此， LED路燈電源必須采用功率因數(shù)校正( PFC) 。

1　半橋LLC諧振拓撲結構

半橋雙電感加單電容(LLC)諧振轉換器基本結構如圖1 所示。在圖1 中， Q1 和Q2 是半橋開關(MOSFET) , CR , LR 和變壓器T1初級繞組線圈LM 組成LLC諧振電感器LR ,將其結合進變壓器初級之中，如圖2所示。對于圖2所示的電路拓撲，仍稱作LLC諧振結構，而不稱其為LC諧振拓撲。

LLC諧振電路拓撲能提供較大的輸出功率，保證半橋MOSFET的零電壓開關(ZVS) ,具有高效率。

2　PFC/LLC控制器PLC810PG

PLC810PG是美國Power Integrations ( P I)公司推出的一種新型控制IC。這種控制IC采用24引腳窄體塑料無鉛封裝，引腳配置如圖3所示。

PLC810PG芯片集成了連續(xù)電流模式(CCM) PFC控制器和PFC開關(MOSFET)驅動器、半橋LLC諧振控制器及半橋高、低端MOSFET驅動器，如圖4所示。

2. 1　PFC控制器

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4個引腳(除接地端外) ,是目前引腳最少的CCM PFC控制器。這種PFC控制器主要是由運算跨導放大器(OTA) 、分立電壓可編程放大器(DVGA) 和低通濾波器(LPF) 、PWM電路、PFC MOSFET驅動器(在引腳GATEP上輸出)及保護電路組成的。PFC控制器有兩個輸入引腳，即引腳ISP (3)和FBP (23) 。

FBP引腳是PFC升壓變換器輸出DC升壓電壓的反饋端，連接OTA 的同相輸入端。OTA 輸出可視為是PFC控制器等效乘法器的一個輸入。OTA在引腳VCOMP (1)上的輸出，連接頻率補償元件。反饋環(huán)路的作用是執(zhí)行PFC輸出DC電壓調(diào)節(jié)和過電壓及電壓過低保護。IC 引腳FBP 的內(nèi)部參考電壓VFBPREF = 2. 2 V。如果引腳FBP上的電壓VFBP > VOVN= 1. 05 ×2. 2 V = 2. 31 V, IC則提供過電壓(OV)保護，在引腳GATEP上的輸出阻斷。如果電壓不足使VFBP

PLC810PG的ISP引腳是PFC電流傳感輸入，用作PFC算法控制并提供過電流(OC)保護。PFC在ISP引腳上的過電流保護(OCP) 解扣電平是- 480mV。

2. 2　LLC控制器

半橋LLC諧振控制器的FBL引腳是反饋電壓輸入端。流入引腳FBL的電流越大， LLC轉換器的開關頻率則越高。LLC 級最高開關頻率由連接在引腳FMAX與引腳VREF ( 3. 3 V)之間的電阻設定，可達正常工作頻率(100 kHz)的2～3倍。引腳FBL還提供過電壓保護。引腳ISL ( 22)為LLC級電流傳感輸入端，提供快速和慢速(8個時鐘周期)兩電平過電流保護。死區(qū)時間電路保護外部兩個MOFET不會同時導通，并突現(xiàn)零電壓開關( ZVS) 。

PFC和LLC頻率和相位同步化，從而減小了噪聲和EM I。PFC電路不需要AC輸入電壓感測作為控制參考，這是區(qū)別于其他同類控制器的標志之一。

PLC810PG的引腳VCC (7)導通門限是9. 1 V,欠電壓關閉門限是8. 1 V。VCC電壓可選擇12～15 V。

3　采用PLC810PG的150W LED路燈電源

采用PLC810PG的150 W LED路燈電源電路如圖5所示。

3. 1　輸入濾波器/PFC主電路/偏置電源

在圖5 ( a)中，電容C1, C2, C3, C4, C5, C6和共模電感器L1, L2 組成輸入EM I濾波器， R1 ～R3 在AC電源切斷時為電容放電提供通路。NTC 熱敏電阻RT1在系統(tǒng)啟動時限制浪涌電流，當電路開始正常工作時，繼電器RL1將RT1旁路， RT1不再有功率損耗，可使電源效率提高1%～1. 5%。

BR1是橋式整流器，在接通AC電源后，電流經(jīng)二極管D1對PFC升壓轉換器輸出電容C9 充電，浪涌電流不經(jīng)過PFC電感器L4,從而使L4不會出現(xiàn)飽和。

L4, PFC開關(MOSFET)Q2,升壓二極管D2和輸出電容C9等，組成PFC升壓變換器主電路。在140～265VAC輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定在385VDC (B+與B - 之間) ,并在BR1輸入端產(chǎn)生正弦AC電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性負載，線路功率因數(shù)( PF)幾乎等于1。晶體管Q1,Q3等組成Q2的緩沖級。R6和R8是PFC級電流傳感電阻，二極管D3, D4在浪涌期間箝位R6和R8上的電壓(即兩個二極管上的正向壓降) 。Q2柵極和漏極串接的鐵氧體磁珠( Φ3. 5 mm ×3. 25 mm, 20 Ω ) ,用作改善EM I特性。PFC開關Q2的散熱器通過C80接初級地(B - ) 。

L4的副繞組是偏置線圈， 其輸出由D22, D23,R109, C75, C76倍壓整流和濾波，作為后隨偏置穩(wěn)壓器的DC輸入。在系統(tǒng)通電后，電流通過Q24,D24對C70 充電，為U1 ( PLC810PG) 提供啟動偏置。Q27,R111和齊納二極管VR9組成射極跟隨穩(wěn)壓器。當偏置電壓VCC達到穩(wěn)定時，Q25關閉啟動電路，并且Q26接通繼電器RL1,將熱敏電阻RT1短路。

3. 2　PFC電路控制輸入和LLC變換器

基于U1的LED路燈PFC電路控制輸入和半橋LLC諧振轉換器電路如圖5 ( b)所示。

在圖5 ( b)中，U1引腳GATEP上的PWM信號驅動PFC開關Q2。R6和R8上的電流傳感信號經(jīng)R45,C73濾波輸入到U1引腳ISP,來執(zhí)行PFC算法控制，并提供過電流保護。PFC輸出電壓VB +經(jīng)R39～41,R43, R46和R50取樣，并經(jīng)C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP,來執(zhí)行PFC輸出電壓調(diào)節(jié)和過電壓以及電壓過低保護。U1引腳VCOMP外部R48, C26, C28為頻率補償元件。當引腳VCOMP 上的信號較大時，Q20導通，將C26旁路，可使PFC控制環(huán)路能夠快速響應。

Q10,Q11為半橋功率開關(MOSFET) 。C39是諧振電容。C39與變壓器T1初級繞組構成LLC諧振槽路。T2次級輸出經(jīng)D9, C37, C38整流濾波，產(chǎn)生48 V輸出，為LED路燈模塊供電。

48 V的輸出由R67, R66采樣，經(jīng)穩(wěn)壓器U3,光電耦合器U2及R54, D16, R53等反饋到U1 的FBL 引腳，來執(zhí)行輸出電壓調(diào)節(jié)和過電壓保護。流入引腳FBL的電流越大，LLC級開關頻率也就越高。最高開關頻率由U1引腳FMAX與VREF之間的電阻R52設定。R49, R51, R53設置下限頻率。C27是LLC級軟啟動電容，軟啟動時間由C27和R49, R51共同設定。

R59是T1初級電流感測電阻。R59上的電流感測信號經(jīng)R47, C35濾波輸入到U1的ISL引腳，以提供過電流保護。

偏置電壓VCC經(jīng)R37 , R38分別加至U1 的VCC和VCCL引腳，將U1模擬電源和數(shù)字電源分開。R55和鐵氧體磁珠L7,在PFC與LLC地之間提供隔離。U1內(nèi)半橋高端驅動器由自舉二極管D8,電容C23和電阻R42供電。Q10和Q11散熱器經(jīng)C78連接到初級地(B - ) 。

3. 3　磁性元件選擇

3. 3. 1　PFC升壓電感器

PFC升壓電感器L4使用PQ32 /20磁心和12引腳骨架，電氣圖和結構圖如圖6所示。

L4主繞組使用#20AWG(美國線規(guī)，約0. 8 mm)絕緣磁導線，從引腳1開始到引腳6終止，繞35匝，電感量是580μH ( ±10% ) 。在主繞組外面繞一層作絕緣用的聚酯膜。偏置繞組使用#28AWG( Φ0. 3 mm)絕緣導線從引腳8開始繞2匝，到引腳7結束。在該繞組線圈外面繞3層聚酯膜。在磁心上包裹一層銅箔，并用Φ0. 5 mm銅線將銅箔與9引腳焊接起來，作為屏蔽層。在銅箔外面再繞3層聚酯膜。

3. 3. 2　LLC變壓器

變壓器T1使用ETD39磁心和18引腳骨架，電氣圖與構造圖如圖7所示。

先繞次級繞組WD1A /WD1B。次級繞級使用175股40AWG( 0. 08 mm)李茲線(即絞合線) ,從引腳10到引腳12,再從引腳11到引腳13各繞9匝，并覆蓋2層聚酯膜。初級繞組WD1使用75股40AWG( 0. 08mm)絞合線，從7引腳開始到9引腳結束，繞39匝，再繞2層聚酯膜。WD1電感量是820μH ( ±10%) ,漏感是100μH ( ±10%)。將分成兩部分的磁心插入骨架中對接在一起，在磁心外面用10 mm寬的銅皮繞一層，用焊錫將接縫焊牢，再在銅皮與引腳2之間焊接一段0. 5 mm的銅線。在銅皮外部用聚酯膜覆蓋起來。

3. 4　主要性能

圖5所示的150W LED路燈電路，主要參數(shù)如下：

　　AC輸入電壓范圍： 140～265 VAC ;

　　DC輸出： 48 V, 3. 125 A;

　　輸入功率因數(shù)： ≥0. 97;

　　輸入電流總諧波失真( THD) : 7%;

　　滿載時PFC級效率： > 95%;

　　滿載時LLC級效率： > 95%;

　　LED電源總效率： > 92%;

　　傳導EM I:滿足EN55022B /CISPR22B規(guī)范要求;

　　安全性：滿足IEC950 /UL1950 II級要求。

4　小結

基于PLC810PG控制IC的LED路燈電源，不存在安全性和可靠性沒有保證，輸入電流諧波、功率因數(shù)和效率也無法達到相關規(guī)范要求這些問題。雖然這一設計方案電路略顯復雜，但性能卻得到可靠保證。