0 引言

    LED作為新型的照明器件，被廣泛應(yīng)用在家居照明、路燈照明、LED顯示等領(lǐng)域^[1]。為了充分發(fā)揮LED高效節(jié)能、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，高效率、高功率因數(shù)、高可靠性的驅(qū)動(dòng)電源成為了LED應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)^[2]。普通LED電源一般采用大電解電容作為儲(chǔ)能元件，工作壽命短，限制著LED整體系統(tǒng)長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。因此，在提高功率因數(shù)的前提下，如何減小電解電容或采用無(wú)電解電容的研究成為解決大功率LED驅(qū)動(dòng)電源和工作壽命匹配的主要方法之一^[3-4]。為了提高電源利用率，減少電源諧波，降低LED工作中存在的頻閃、功率因數(shù)低等問(wèn)題，LED的驅(qū)動(dòng)電源一般采用具有單級(jí)PFC的恒流驅(qū)動(dòng)方式^[5-6]。本設(shè)計(jì)采用CCM模式下隔離型AC/DC電源變換電路和UCC28810構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路作為主電源，并通過(guò)專用的恒流電路得到高效率、高功率因數(shù)、高穩(wěn)定性的LED驅(qū)動(dòng)電源^[7-8]。文中重點(diǎn)闡述輸出30 V/600 mA的LED驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法，給出具體的設(shè)計(jì)原理圖，并對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 主電源電路設(shè)計(jì)

    主電源采用經(jīng)典的單端反激結(jié)構(gòu)，輸入端由保護(hù)電路和EMI電路組成，輸入電壓經(jīng)過(guò)EMI濾波器和DB107整流橋，經(jīng)C2和L2組成的差分低通濾波器濾除由高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電流紋波，得到VCC，結(jié)合MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷，通過(guò)變壓器耦合到副邊，利用副邊電容，將半正弦波濾成較為平滑的直流電。同時(shí)，由TL431和PC817將輸出電壓反饋回變壓器原邊的控制芯片進(jìn)行電壓調(diào)整，使輸出電壓穩(wěn)定在指定值，電路如圖2。

    電路中R3、R22、R23、R24、C3和D4組成了RCD吸收回路，用于吸收初級(jí)的漏感能量，減小EMI干擾。變壓器T2的副邊用E1濾除低頻紋波，C4和L3抑制輸出的高頻紋波。輸出電壓通過(guò)R6、R12分壓，送到TL431的1腳上，通過(guò)C8、R11、C9反饋元件，利用光耦器件U1將電壓誤差反饋到原邊送給UCC28810進(jìn)行調(diào)整。

1.2 PFC高頻變壓器設(shè)計(jì)

1.2.1 初級(jí)電感量的計(jì)算

    如圖2所示，采用反激隔離型PFC電路，當(dāng)電源工作在DCM模式或者是CRM模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)，本設(shè)計(jì)電源工作采用CRM模式，單級(jí)PFC工作于臨界模式變壓器的初級(jí)電感量公式^[7]：

其中，V_IN(rms)為輸入電壓有效值，P_IN為輸入功率，f_SW為開(kāi)關(guān)頻率，D為占空比，PF為功率因數(shù)，n為變壓器匝數(shù)比，V_O為輸出電壓。

    設(shè)定V_IN(rms)=99 V，D取0.45，PF值取0.95，開(kāi)關(guān)頻率取80 kHz，效率取85%，則輸入功率為：

1.2.2 變壓器磁芯的選擇

    設(shè)計(jì)中考慮電源的功率、頻率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合成本因數(shù)，選擇PC40材質(zhì)，按照AP法初步選擇磁芯的型號(hào)：

式中，A_W為磁芯窗口面積，A_e為磁芯截面積；P_O為輸出功率；ΔB為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，取0.23 T；K_u為窗口有效使用系數(shù)，取0.3；K_j為電流密度，取400 A/cm²。選用錳鋅鐵氧體磁芯EE25，電感量系數(shù)A_L=2 000 nH/N²，A_e=40.3，A_W=78.73，AP=0.317 3>0.023 9。

1.2.3 初次級(jí)線圈數(shù)及磁芯氣隙的確定

    設(shè)計(jì)中選取的MOS管為6N80，其耐壓為800 V，而輸入電壓最大為242 V，其峰值為419 V，給MOS留下300 V的裕量，則允許的反射電壓：

    初級(jí)次級(jí)匝數(shù)比：

    初級(jí)電流：

式中，V_a是輔助繞組輸出電壓，取16 V。

1.2.4 初次級(jí)線徑的確定

    初級(jí)電流有效值I_rms1、次級(jí)電流峰值I_P2、次級(jí)電流有效值I_rms2分別為：

式中，S_P為漆包線的截面積；K_j為電流密度，一般取2.5 A/mm²。

    由式(14)和(15)可得，初級(jí)線截面積為0.1 mm²，次級(jí)線截面積為0.3 mm²。故選取初級(jí)線徑為單股0.2 mm，次級(jí)線徑為0.2 mm，三股并繞。

1.3 PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

    利用UCC28810構(gòu)成PFC功率因數(shù)校正電路^[8]，如圖3所示。

    圖3中，EAOUT引腳的輸入電壓和VINS引腳的輸入電壓通過(guò)UCC28810內(nèi)部乘法器相乘，然后與電流采樣輸入引腳ISENSE的電壓進(jìn)行比較，從而決定MOS管的關(guān)斷時(shí)刻。當(dāng)ISENSE引腳的輸入電壓V_isense≥0.67×(V_EAOUT-2.5 V)×(V_VINS+75 mV)時(shí)，MOS管關(guān)斷，而MOS管的開(kāi)通是由TZE引腳的輸入電壓決定的。TZE引腳的外部一般接到輔助繞組，所以能檢測(cè)到變壓器的退磁過(guò)程(即次級(jí)電流放電過(guò)程)，從而使芯片強(qiáng)制工作在臨界導(dǎo)通模式。

    如圖2，T2副邊電流經(jīng)過(guò)變壓器耦合到原邊，經(jīng)R9、R10后轉(zhuǎn)換為電壓，通過(guò)R7和C6組成的低通濾波器送入U(xiǎn)CC28810的電流采樣引腳ISENSE構(gòu)成電路檢測(cè)及濾波電路，經(jīng)R18、R19、R20分壓后送入U(xiǎn)C28810的瞬時(shí)半正弦波檢測(cè)引腳。

1.4 恒流調(diào)整控制電路

    恒流調(diào)整控制電路主要由CC2530可編程微處理器和高效率LED驅(qū)動(dòng)芯片SN3350組成^[9-10]，利用INA193采樣流過(guò)負(fù)載LED的實(shí)時(shí)電流，并送CC2530進(jìn)行處理，如圖4所示。

    通過(guò)在LED兩端并聯(lián)一個(gè)多層瓷片電容C14，可以使輸出電流的紋波減小。這個(gè)電容雖然不會(huì)影響系統(tǒng)頻率和效率，但是會(huì)通過(guò)減小LED兩端電壓上升速度，增加啟動(dòng)時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    圖5為交流110 V和220 V輸入時(shí)的波形圖。從圖中可以看出，輸入電流波形很好地跟蹤輸入電壓波形，利用功率因數(shù)表測(cè)試，PF值為0.975和0.983，實(shí)現(xiàn)了較好的功率因數(shù)校正。

    AC/DC變換后的輸出30 V電壓波形如圖6所示，提供給后級(jí)LED恒流電路。從測(cè)試波形可看出，輸出電壓的直流分量RMS=30 V；并在直流分量上疊加有RMS=591 mV、頻率為177 Hz的紋波電壓，獲得較好輸出效果。

    對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行整體測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

    分析表1的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于第一級(jí)電源，在95 V～258 V交流電壓輸入的情況下整個(gè)電源都能正常工作，PF值都在0.965以上；負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率較好，輸出電壓基本保持不變，輸出紋波較小，并且在全電壓范圍內(nèi)的效率都達(dá)到了85%以上。對(duì)于第二級(jí)電源，整個(gè)測(cè)試的過(guò)程中輸出電流基本保持不變，達(dá)到了恒流的精度要求，效率也保持在90%以上，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)、高效率的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

    文中闡述了高功率LED恒流可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源的具體設(shè)計(jì)方法，對(duì)UCC28810構(gòu)成的單級(jí)PFC電路和恒流驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行分析，并給出具體的設(shè)計(jì)方案和參考電路。對(duì)系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果表明，該電源具有較高功率因數(shù)和高效率的特點(diǎn)，并具有PWM精確恒流調(diào)控，可同時(shí)用于精確調(diào)光。

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