《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。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。
中图分类号: TM46
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.034

中文引用格式: 周锦荣,黄闻铭. 高功率因数LED恒流可调驱动电源设计[J].电子技术应用,2015,41(8):120-123.
英文引用格式: Zhou Jinrong,Huang Wenming. Design of adjustable high power factor constant current LED drive[J].Application of Electronic Technique,2015,41(8):120-123.

Design of adjustable high power factor constant current LED drive

Zhou Jinrong,Huang Wenming
(College of Physics and Information Engineering,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China)
Abstract: The design method for constant current LED driver circuit based on PFC fly-back isolated AC/DC is analyzed. Concrete design scheme and associated parameter selecting method for isolated high-frequency transformer as well as the power factor correction circuit constituted by UCC28810 with high efficiency and high power factor are proposed. Working principle of PWM constant current adjustable circuit constituted by CC2530 and SN3350 is also elaborated. Diverse tests are conducted using an experimental prototype with the input voltage range of 90 V~220 V. The measurement averaging results show an average system power factor of above 0.97 and the AC/DC conversion efficiency of up to 86.5%. The efficiency of constant current module is up to 93.2%, successfully attaining the constant current PWM controlled dimming function.

    

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。

dy4-t1.gif

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。

dy4-t2.gif

    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]

    dy4-gs1.gif

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:

    dy4-gs2-3.gif

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:

    dy4-gs4.gif

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:

    dy4-gs5.gif

    初级次级匝数比:

    dy4-gs6.gif

    初级电流:

    dy4-gs7-11.gif

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:

    dy4-gs12-15.gif

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。

dy4-t3.gif

    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。

dy4-t4.gif

    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。

dy4-t5.gif

    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。

dy4-t6.gif

    对LED驱动电源进行整体测试,实验测试的结果如表1所示。

dy4-b1.gif

    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。

参考文献

[1] 吕海军.我国LED产业发展现状及未来发展展望[J].照明工程学报,2013,24(3):6-10.

[2] Li Yancun,Chen Chernlin.A novel single-stage high-power-factor AC-to-DC LED driving circuit with leakage inductance energy recycling[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(2):793-802.

[3] Wu Chen,HUI S Y R.Elimination of an electrolytic capacitor in AC/DC Light-Emitting Diode(LED) driver with high input power factor and constant output current[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(3):1598-1607.

[4] Wang Shu,Ruan Xinbo,Yao Kai,et al.A flicker-free electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11):4540-4548.

[5] 陈武,王广江.一种高功率因数无电解电容LED恒流驱动电源[J].电工技术学报,2013,28(11):216-222.

[6] 张建飞,史永胜,宁青菊,等.单级PFC LED驱动电源的研究与设计[J].液晶与显示,2012,27(5):671-676.

[7] 冯仕胜.NCL30001 CCM模式单级PFC大功率LED驱动电源的设计[J].电源学报,2012(6):102-106.

[8] 毛兴武.基于单级PFC控制器UCC28810的LED照明电源[J].灯与照明,2011,35(1):52-55.

[9] 李治斌,邓小芳,张余明,等.基于ZigBee技术的智能调光开关设计[J].传感器与微系统,2014,33(1):60-63.

[10] 刘琦,秦会斌,张振银.可单组调光的1W LED阵列驱动设计[J].机电工程,2011,28(8):991-995.

继续阅读>>