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一種大功率LED照明電源解決方案

發(fā)布時間:2012-05-09

中心議題:
  • 一種大功率LED照明電源解決方案
解決方案:
  • 采用PFC控制器CM6807和諧振半橋控制器
  • 采用基于專用控制器IC的單級功率因數(shù)校正反激式電路拓撲

摘要:介紹采用PFC控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W高效(>90%)高功率因數(shù)(>0.95)LED照明電源解決方案。該方案適用于直至1kW的電源供應(yīng)器,可用于LED照明、LED路燈、大型LED看板和大功率體育場館照明等。

美國"能源之星"等規(guī)范要求在任何功率電平上的離線式(off-line)LED照明電源具有高功率因數(shù)和高能效。對于普通照明用低功率LED驅(qū)動電源,采用基于專用控制器IC的單級功率因數(shù)校正(PFC)反激式電路拓撲是最基本的解決方案。這種拓撲結(jié)構(gòu)的特點是只使用一個功率開關(guān),無需使用高壓電解電容器。對于100~200W的LED照明電源,人們通常采用PFC+反激式兩段式電路架構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)的特點是PFC升壓變換器被置于反激式轉(zhuǎn)換器的前端,PFC與反激式轉(zhuǎn)換器各使用一個功率開關(guān)。而對于200W以上的大功率LED照明電源供應(yīng)器,上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)并不適用。行之有效的解決方案是選擇PFC與其電感-電感-電容(LLC)相結(jié)合的電路架構(gòu)。為了實現(xiàn)高效率,主變壓器二次側(cè)可以采用同步整流方案。在這里介紹一種采用這種方案的350W LED照明電源設(shè)計實例,以供讀者參考。

1 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格與基本架構(gòu)

1.1 350W LED驅(qū)動電源技術(shù)規(guī)格

(1)輸入規(guī)格

AC輸入電壓:85~264 Vac;

AC最大輸入電流:5A;

線路功率因數(shù)PF:>0.95(230Vac,滿載);

AC電源頻率:47~63Hz;

效率:>92%(230Vac,滿載);

工作溫度:50℃;

工作環(huán)境:密閉;

散熱方式:無風(fēng)扇自然冷卻。

(2)輸出規(guī)格

輸出電壓Uo:36~40V;

輸出電流Io:5~10A;

電壓紋波:≤0.3V;

電流紋波:<0.1A;

控制模式:恒定電壓/恒定電流。

1.2 系統(tǒng)組成方框圖

350W LED照明電源主要由EMI濾波器、基于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)功率因數(shù)控制器CM6807的PFC升壓變換器、基于CM6900的LLC諧振半橋變換器及同步整流器等部分組成,圖1為其基本架構(gòu)方框圖。

圖1 350W LED照明驅(qū)動電源基本架構(gòu)方塊圖
圖1 350W LED照明驅(qū)動電源基本架構(gòu)方塊圖

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2 實際電路

基于CM6807和CM6900的350W LED照明電源電路如圖2所示。我們對系統(tǒng)中各個單元電路作簡要介紹。

2.1 PFC升壓變換器與輔助電源

350W LED照明電源的PFC升壓變換器與輔助電源電路如圖2(a)所示。

圖2 PFC與輔助電源電路

(1)輸入級電路

輸入級電路由EMI濾波器和橋式整流器組成。在圖2(a)中,電容C3、C4、C5和C11~C14及電感元件T1、T2等,構(gòu)成輸入EMI濾波器;BR1為橋式整流器;FU1為保險絲;RT1為NTC熱敏電阻。EMI濾波器被用作限制和衰減共模與差模噪聲,RT1用作限制系統(tǒng)啟動時因?qū)Υ箅娙軨7充電引起的浪涌電流。

(2)有源PFC升壓變換器

功率因數(shù)控制器U1(CM6807)、功率開關(guān)VT2、升壓電感器L1、升壓二極管VD3、輸入電容C9/C10、輸出電容C7、電流傳感電阻R4等,組成DC/DC有源PFC升壓變換器。PFC級電路工作在連續(xù)模式。輸入電流經(jīng)R5、R8和R13通過U1引腳②檢測。輸出DC總線電壓(395V)經(jīng)分壓器R7、R10、R12和R13采樣,饋送至U1引腳FB.U1的引腳④為電壓誤差放大器輸出,C17、C18和C21為補償網(wǎng)絡(luò)。通過PFC級的電流被R4感測,并經(jīng)R11和C20由U1引腳③來檢測。U1引腳⑨上的驅(qū)動輸出推動VT1/VT3和VT2.PFC升壓變換器的作用是在橋式整流器BR1的輸入端產(chǎn)生一個與AC輸入電壓趨于同相位的正弦電流,能夠滿足IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流限制要求,系統(tǒng)功率因數(shù)遠高于0.95,并且在85~264V的AC輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出一個395V的穩(wěn)定DC電壓。

(3)啟動電路與偏置電源

R5、R8、R6、R9、VT4、VD4和C16等,組成U1引腳⑧上的肩動電路,U1一旦啟動,PFC進入操作狀態(tài),U1引腳③則由L1引腳③與④之間的輔助繞組、C1和C2、VD1和VD2、R15、VZ1、VT5及C16等組成的偏置電源供電。

2.2 LLC半橋諧振功率級

LLC半橋諧振功率級電路如圖2(b)所示。該功率級主電路由圖2 (c)所示的控制電路來控制。在圖2 (b)中,功率開關(guān)VT6、VT8、電容C23、電感L3以及變壓器T3引腳③與引腳⑥之間的初級電感組成半橋LLC串聯(lián)諧振電路。T3二次側(cè)上的VT7和VT9組成同步整流器電路,可使LLC諧振半橋變換器的工作效率達96%以上,比傳統(tǒng)LLC諧振半橋功率級的效率提高4%~5%。

LLC半橋諧振功率級電路


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C25/C26、L4和C27/C28構(gòu)成LC濾波電路,可以保證DC輸出電壓紋波小于300mV.R23為輸出電流感測電阻。電源的DC輸出可以驅(qū)動350W的LED模塊或陣列。

2.3 基于CM6900的恒壓/恒流(CV/CC)控制電路

采用CM6900作半橋諧振控制器的CV/CC控制電路見圖2 (c)。

控制電路與偏置電源


(1)偏置電源

圖2(a)中L1引腳⑤與⑥之間的輔助繞組,與圖2(c)中的C29/C30、VD7/VD8、VZ2、VT14、R27和C31等,組成輸出12V的穩(wěn)壓電源,為U2(CM6900)和運放U3(LM358)等提供偏置。

(2)控制與驅(qū)動電路

在圖2(c)中,U2引腳⑨外部的R32和C38設(shè)定振蕩器頻率。LED驅(qū)動電源的輸出電壓(+40V)經(jīng)電阻分壓器R26、R27和PR1取樣,反饋到U2的引腳②,以執(zhí)行輸出電壓調(diào)節(jié)。流經(jīng)輸出電流感測電阻R23[見圖2(b)]的電流經(jīng)U3B放大150倍,并經(jīng)R42和R48分壓后,由U3A作緩沖器加入到輸出電壓的反饋回路,使輸出電流被控制在恒定值。VT19的門極與地之間連接一個開關(guān)S.當(dāng)S關(guān)斷時,VT19導(dǎo)通,U3B的輸出被R42和R48、R46分壓至2.5V,使LED驅(qū)動電源輸出10A的最大恒流。當(dāng)S接通時,VT19截止,U3B輸出被R42和R48分壓至1.25V,LED驅(qū)動電源輸出電流則為5A.

U2引腳(14)和(13)上的輸出,通過晶體管VT10/VT11和VT12/VT13來驅(qū)動變壓器T4.T4的二次繞組輸出驅(qū)動圖2(b)半橋中的VT6/VT8.U2的引腳(12)和(13)上的輸出,通過VT14/VT15和VT16/VT18來驅(qū)動圖2(b)中的同步整流器VT7和VT9.

3 結(jié)束語

采用CCM功率因數(shù)控制器CM6807和諧振半橋控制器CM6900的350W LED電源供應(yīng)器,同時采用同步整流方案,可以提供CV/CC控制,實現(xiàn)高于0.95的功率因數(shù)和高于90%的效率。該設(shè)計方案適用于100~1000W的電源供應(yīng)器,可應(yīng)用于LED照明、LED路燈、大型LED看板以及體育場館LED照明等。
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