《电子技术应用》

高功率因数LED恒流可调驱动电源设计

2015年电子技术应用第8期
周锦荣,黄闻铭
(闽南师范大学 物理与信息工程学院,福建 漳州363000)
摘要: 分析具有PFC的反激式隔离型AC/DC的LED恒流驱动电源的设计方法。给出高效率和高功率因数条件下隔离高频变压器以及由UCC28810构成的功率因数校正电路的具体设计方案和相关参数的选择方法;阐述了由CC2530和SN3350构成的PWM恒流可调电路的工作原理。

Abstract:

    摘  要: 分析具有PFC的反激式隔离型AC/DC的LED恒流驱动电源的设计方法。给出高效率和高功率因数条件下隔离高频变压器以及由UCC28810构成的功率因数校正电路的具体设计方案和相关参数的选择方法;阐述了由CC2530和SN3350构成的PWM恒流可调电路的工作原理。通过对实验样机在输入电压90 V~260 V范围内进行多样实验测试取均值结果表明,系统的功率因数均值在0.97以上,AC/DC变化电路的效率高达86.5%;恒流模块的效率达到93.2%,实现恒流可控的PWM的调光功能。

    关键词: LED驱动电源单级反激PFC;高功率因数;PWM调光

0 引言

    LED作为新型的照明器件,被广泛应用在家居照明、路灯照明、LED显示等领域[1]。为了充分发挥LED高效节能、工作寿命长等优点,高效率、高功率因数、高可靠性的驱动电源成为了LED应用中的研究热点[2]。普通LED电源一般采用大电解电容作为储能元件,工作寿命短,限制着LED整体系统长寿命的优点。因此,在提高功率因数的前提下,如何减小电解电容或采用无电解电容的研究成为解决大功率LED驱动电源和工作寿命匹配的主要方法之一[3-4]。为了提高电源利用率,减少电源谐波,降低LED工作中存在的频闪、功率因数低等问题,LED的驱动电源一般采用具有单级PFC的恒流驱动方式[5-6]。本设计采用CCM模式下隔离型AC/DC电源变换电路和UCC28810构成的功率因数校正电路作为主电源,并通过专用的恒流电路得到高效率、高功率因数、高稳定性的LED驱动电源[7-8]。文中重点阐述输出30 V/600 mA的LED驱动电源系统的整体设计方法,给出具体的设计原理图,并对设计样机进行测试。系统整体框图如图1所示。

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1 电路结构与原理分析

1.1 主电源电路设计

    主电源采用经典的单端反激结构,输入端由保护电路和EMI电路组成,输入电压经过EMI滤波器和DB107整流桥,经C2和L2组成的差分低通滤波器滤除由高频开关产生的电流纹波,得到VCC,结合MOS管的开通和关断,通过变压器耦合到副边,利用副边电容,将半正弦波滤成较为平滑的直流电。同时,由TL431和PC817将输出电压反馈回变压器原边的控制芯片进行电压调整,使输出电压稳定在指定值,电路如图2。

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    电路中R3、R22、R23、R24、C3和D4组成了RCD吸收回路,用于吸收初级的漏感能量,减小EMI干扰。变压器T2的副边用E1滤除低频纹波,C4和L3抑制输出的高频纹波。输出电压通过R6、R12分压,送到TL431的1脚上,通过C8、R11、C9反馈元件,利用光耦器件U1将电压误差反馈到原边送给UCC28810进行调整。

1.2 PFC高频变压器设计

1.2.1 初级电感量的计算

    如图2所示,采用反激隔离型PFC电路,当电源工作在DCM模式或者是CRM模式时可实现较高的功率因数,本设计电源工作采用CRM模式,单级PFC工作于临界模式变压器的初级电感量公式[7]

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其中,VIN(rms)为输入电压有效值,PIN为输入功率,fSW为开关频率,D为占空比,PF为功率因数,n为变压器匝数比,VO为输出电压。

    设定VIN(rms)=99 V,D取0.45,PF值取0.95,开关频率取80 kHz,效率取85%,则输入功率为:

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1.2.2 变压器磁芯的选择

    设计中考虑电源的功率、频率、拓扑结构,并结合成本因数,选择PC40材质,按照AP法初步选择磁芯的型号:

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式中,AW为磁芯窗口面积,Ae为磁芯截面积;PO为输出功率;ΔB为磁芯工作磁感应强度,取0.23 T;Ku为窗口有效使用系数,取0.3;Kj为电流密度,取400 A/cm2。选用锰锌铁氧体磁芯EE25,电感量系数AL=2 000 nH/N2,Ae=40.3,AW=78.73,AP=0.317 3>0.023 9。

1.2.3 初次级线圈数及磁芯气隙的确定

    设计中选取的MOS管为6N80,其耐压为800 V,而输入电压最大为242 V,其峰值为419 V,给MOS留下300 V的裕量,则允许的反射电压:

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    初级次级匝数比:

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    初级电流:

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式中,Va是辅助绕组输出电压,取16 V。

1.2.4 初次级线径的确定

    初级电流有效值Irms1、次级电流峰值IP2、次级电流有效值Irms2分别为:

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式中,SP为漆包线的截面积;Kj为电流密度,一般取2.5 A/mm2

    由式(14)和(15)可得,初级线截面积为0.1 mm2,次级线截面积为0.3 mm2。故选取初级线径为单股0.2 mm,次级线径为0.2 mm,三股并绕。

1.3 PFC功率因数校正电路设计

    利用UCC28810构成PFC功率因数校正电路[8],如图3所示。

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    图3中,EAOUT引脚的输入电压和VINS引脚的输入电压通过UCC28810内部乘法器相乘,然后与电流采样输入引脚ISENSE的电压进行比较,从而决定MOS管的关断时刻。当ISENSE引脚的输入电压Visense≥0.67×(VEAOUT-2.5 V)×(VVINS+75 mV)时,MOS管关断,而MOS管的开通是由TZE引脚的输入电压决定的。TZE引脚的外部一般接到辅助绕组,所以能检测到变压器的退磁过程(即次级电流放电过程),从而使芯片强制工作在临界导通模式。

    如图2,T2副边电流经过变压器耦合到原边,经R9、R10后转换为电压,通过R7和C6组成的低通滤波器送入UCC28810的电流采样引脚ISENSE构成电路检测及滤波电路,经R18、R19、R20分压后送入UC28810的瞬时半正弦波检测引脚。

1.4 恒流调整控制电路

    恒流调整控制电路主要由CC2530可编程微处理器和高效率LED驱动芯片SN3350组成[9-10],利用INA193采样流过负载LED的实时电流,并送CC2530进行处理,如图4所示。

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    通过在LED两端并联一个多层瓷片电容C14,可以使输出电流的纹波减小。这个电容虽然不会影响系统频率和效率,但是会通过减小LED两端电压上升速度,增加启动时间。

2 实验与结果分析

    图5为交流110 V和220 V输入时的波形图。从图中可以看出,输入电流波形很好地跟踪输入电压波形,利用功率因数表测试,PF值为0.975和0.983,实现了较好的功率因数校正。

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    AC/DC变换后的输出30 V电压波形如图6所示,提供给后级LED恒流电路。从测试波形可看出,输出电压的直流分量RMS=30 V;并在直流分量上叠加有RMS=591 mV、频率为177 Hz的纹波电压,获得较好输出效果。

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    对LED驱动电源进行整体测试,实验测试的结果如表1所示。

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    分析表1的测试数据,对于第一级电源,在95 V~258 V交流电压输入的情况下整个电源都能正常工作,PF值都在0.965以上;负载调整率和电压调整率较好,输出电压基本保持不变,输出纹波较小,并且在全电压范围内的效率都达到了85%以上。对于第二级电源,整个测试的过程中输出电流基本保持不变,达到了恒流的精度要求,效率也保持在90%以上,实现了高功率因数、高效率的设计要求。

3 结论

    文中阐述了高功率LED恒流可调驱动电源的具体设计方法,对UCC28810构成的单级PFC电路和恒流驱动控制电路进行分析,并给出具体的设计方案和参考电路。对系统整体测试结果表明,该电源具有较高功率因数和高效率的特点,并具有PWM精确恒流调控,可同时用于精确调光。

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