一种高性能可智能控制型LED路灯驱动电源的设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑一种高性能可智能控制型LED路灯驱动电源的设计-设计应用本文针对传统驱动电源电能损耗大、效率和智能化程度低的缺点，设计了一款适用于大功率LED路灯的高性能可智能控制型驱动电源。本文选择了多级驱动方案，即功率因数校正(PFC)电路、LLC谐振控制电路和多路恒流输出的三级式结构。本文采用合理的设计，优化了功率校正因数，增大了输入电压范围，提高了整机效率，使输出电流在全负载范围内更加稳定，同时增加了PWM调光控制功能，可根据外界环境的变化智能控制LED路灯的亮度，从而达到进一步节能减排的效果。引言由于具有高光效、长寿命、灯具效率高、环保和易于调光控制等优点，半导体照明是目前被各国公认为有发展前景的高效照明产业，被称作继白炽灯、荧光灯后照明光源的又革命[1]。我国推出的“十城万盏”计划[2]，使LED路灯得到了越来越多的应用。但是，LED路灯在取代传统路灯的道路上还有许多亟待解决的难题，主要包括光学设计、散热以及驱动电源等问题，同时智能控制和无线通信也成为LED路灯的研究重点。本文采用多级驱动方案，使驱动具有较高的功率因数和效率，并解决了传统方案驱动器件多、成本高、体积大的缺陷。易于调光控制也是LED照明的一大优点，设计中采用了可PWM调光的模块，使得驱动电源具有智能控制的接口，便于在此基础上开发LED路灯智能照明控制系统。1系统结构本系统采用3级驱动电路结构，系统结构图如图1，前级是功率因数校正电路，主要作用是采用谐波抑制技术限制谐波的含量。中间级是LLC谐振电路，完成隔离和降压功能，保证电路具有较高的转换效率。为恒流输出电路，为LED提供恒定的电流，同时具有PWM调光控制功能，通过智能控制系统来调节LED的亮度。

2驱动电路原理及实现2.1PFC电路的设计为了提高电能的利用率，现在一般的开关电源都需要在前级加入功率因数校正(PFC)电路[3]，其中升压PFC有源功率因数校正是成本效益的方法。本文采用PI公司推出的PFS708EG专用芯片，该芯片具有极高的集成度，集成了一个连续导通模式(CCM)升压PFC控制器、栅极驱动器、超低反向恢复二极管和高压功率MOSFET，采用了创新的恒定伏秒/安秒控制方法，可极大减少元器件数量、降低装配成本和布板尺寸[4]。图2所示为PFS708EG的典型应用图。

本设计采用一种恒定的安培-秒导通时间和恒定的伏-秒关断时间控制方法，该方法可以调节输出电压和整形输入电流以使其符合谐波电流限值(高功率因数)。即控制开关电流在导通时间内具有恒定的安培-秒从而使平均输入电流跟随输入电压，同时保持由升压电感器的电磁特性所决定的恒定的伏-秒平衡，从而调节输出的电压和功率。如下所示，设置关断时间(toff)的恒定伏-秒为：

上式表明，输入电流iIN正比于输入电压VIN，因此满足了对于功率因数校正的基本要求。由上述原理可知，在升压PFC电路中电感L1用于当MOSFET导通时储存能量，而对于本设计中的连续导通模式，当MOSFET关断时只有一部分储存的能量被传递到输出电路。设计中所需的电感值的计算方式如下：

其中VO为PFC端的输出电压，VIN为PFC端瞬时输入电压，VMIN(PK)是低线路输入电压峰值，△I为纹波电流的峰峰值，FS为电路的开关频率，D为占空比。图中C2为PFC端输出电容，作为能量储存器为输出电压滤波，决定了输出电压的纹波，输出电容既要满足保持时间所需的电容值，也要求满足输出纹波的要求，其计算方式如下面两式所示，选取计算所得的较高电容值作为输出电容值。

2.2LLC谐振电路设计LLC谐振电路是LED路灯驱动电路的部分，LLC谐振电路是在传统串联和并联LC谐振电路的基础上产生的，它实现了软开关，具有较高的功率密度和效率。本设计采用PI公司生产的LCS702HG控制芯片，它集成了LLC控制器、上管和下管驱动器以及两个半桥MOSFET，此控制器通过改变频率，使得MOSFET在零电压时切换，消除了损耗，提高了效率，其高度的集成度减少外部元器件多达30个，降低了成本且减小了PCB面积[5]。其电路设计如图3所示。

LLC转换器要求在开关半周期之间具有固定的死区时间。如图3所示，连接于DT/BF引脚、VREF引脚和接地引脚之间的电阻分压器用于设定死区时间，启动频率以及脉冲阈值频率。FB引脚是反馈回路的频率控制输入端。频率与反馈引脚电流成正比。引脚HB的输出通过一个谐振电容C2驱动输出变压器T1，该电容用于确定工作纹波电流和在故障条件下能够承受的高电压。变压器T1的漏感设计为50μH，这样和谐振电容C2一起确定了初级串联谐振频率，如下式所示：

其中fR为串联谐振频率，LL为变压器漏感，CR为谐振电容器的值。为实现成本和尺寸，采用~250KHz的额定工作频率，这样可以使用较低成本的陶瓷电容来代替点解电容，延长驱动电路的寿命。2.3恒流输出电路设计由LED的发光原理可知，LED驱动电源更适合采用恒流输出的方式[6]。本设计采用TI公司的LM3406HV作为控制芯片，LM3406HV采用受控导通时间结构，该结构可以确保无论输入及输出电压如何变动，开关频率都恒定不变，因此LM3406HV的输出电流极为准确，瞬态响应也极快。LM3406HV支持PWM调光，可以使用专用逻辑引脚或者PWM开关电源来实现[7]。图4是LM3406HV的典型应用图。如图4所示，导通时间ton可通过外部电阻Ron、输入电压VIN和输出电压VO设置，导通时间由以下公式确定：

DIM引脚是一个PWM调光输入引脚，当输入为低电平(小于0.8V)时将会禁止内部MOSFET，同时关断流向LED的电流。调光频率和占空比由LED电流上升时间和下降时间以及激活DIM引脚的延迟所限制，在一般情况下，调光频率应该比稳态开关频率低至少一个数量级以防止混叠。3实验结果设计一个输入电压范围为90VAC~265VAC，输出功率为150W，输出为5路输出，电流为0.7A的测试样机。测试样机的主要技术参数为：1)PFC电路L1=1.80mH，C1=120μF;2)LLC谐振电路谐振电容CR=6.2nF，RFMAX=36.5kΩ，RBURST=5.11KΩ;3)恒流电流RON=143KΩ，CIN=4.7μF，RSNS=0.29Ω，L1=33μH。3.1功率校正因数测试结果与分析图5是在输入50Hz交流正弦波电源，负载为50%和100%的情况下，PF值随输入电压的变化曲线，由图可知，在220VAC范围内，PF值都可以达到0.9以上，在满载的情况下更是基本达到0.98。可见本设计具有较高的功率校正因数，极大地提高了LED路灯驱动电源的性能。

3.2驱动电路效率的测试结果和分析图6是LED驱动电源前两级(PFC与LLC谐振电路)的效率曲线，如图所示，在输入电压范围内，在50%和100%负载下，效率都达到0.9以上。同时在正常工作电压下，即48V的情况下，恒流模块的效率达到了0.96，也达到了较优的性能。由上述可知本设计具有较高的效率，减少了电路的损耗。

3.3智能控制调光测试结果与分析通过外围检测电路和智能控制对驱动电路输入PWM信号，如下图所示，图7(a)所示为调光占空比为10%时一路LED的状态，图7(b)是调光占空比为50%一路LED的状态。由此可见，该驱动电源可实现PWM调光的功能。4结论智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。所以本文提出了一种高性能多路输出的可PWM调光的大功率LED路灯驱动电路，以适用于需要智能化和网络化控制的LED路灯控制系统。参考文献：[1]程伊炳，金尚忠.基于多路输出的高效LED驱动器的分析和仿真[J].照明工程学报，2022，4(2)：66-70[2]叶峰.LED在道路照明中的应用现状与趋势[J].照明工程学报，2022，4(2)：29-32[3]梁国辉，谢谦，王曾等.基于LLC谐振的多路输出LED路灯恒流驱动电路[J].微电子学，2022，1