《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高功率因數(shù)LED恒流可調(diào)驅(qū)動電源設(shè)計
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
周錦榮,黃聞銘
閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 漳州363000
摘要: 分析具有PFC的反激式隔離型AC/DC的LED恒流驅(qū)動電源的設(shè)計方法。給出高效率和高功率因數(shù)條件下隔離高頻變壓器以及由UCC28810構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路的具體設(shè)計方案和相關(guān)參數(shù)的選擇方法;闡述了由CC2530和SN3350構(gòu)成的PWM恒流可調(diào)電路的工作原理。通過對實驗樣機在輸入電壓90 V~260 V范圍內(nèi)進(jìn)行多樣實驗測試取均值結(jié)果表明,系統(tǒng)的功率因數(shù)均值在0.97以上,AC/DC變化電路的效率高達(dá)86.5%;恒流模塊的效率達(dá)到93.2%,實現(xiàn)恒流可控的PWM的調(diào)光功能。
中圖分類號: TM46
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.034

中文引用格式: 周錦榮,黃聞銘. 高功率因數(shù)LED恒流可調(diào)驅(qū)動電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
Key words : LED drive power;single-stage fly-back PFC;high power factor;PWM dimming

    

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、工作壽命長等優(yōu)點,高效率、高功率因數(shù)、高可靠性的驅(qū)動電源成為了LED應(yīng)用中的研究熱點[2]。普通LED電源一般采用大電解電容作為儲能元件,工作壽命短,限制著LED整體系統(tǒng)長壽命的優(yōu)點。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電解電容的研究成為解決大功率LED驅(qū)動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)低等問題,LED的驅(qū)動電源一般采用具有單級PFC的恒流驅(qū)動方式[5-6]。本設(shè)計采用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)動電源[7-8]。文中重點闡述輸出30 V/600 mA的LED驅(qū)動電源系統(tǒng)的整體設(shè)計方法,給出具體的設(shè)計原理圖,并對設(shè)計樣機進(jìn)行測試。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

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1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 主電源電路設(shè)計

    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關(guān)產(chǎn)生的電流紋波,得到VCC,結(jié)合MOS管的開通和關(guān)斷,通過變壓器耦合到副邊,利用副邊電容,將半正弦波濾成較為平滑的直流電。同時,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。

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    電路中R3、R22、R23、R24、C3和D4組成了RCD吸收回路,用于吸收初級的漏感能量,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R6、R12分壓,送到TL431的1腳上,通過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

1.2.1 初級電感量的計算

    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模式時可實現(xiàn)較高的功率因數(shù),本設(shè)計電源工作采用CRM模式,單級PFC工作于臨界模式變壓器的初級電感量公式[7]

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其中,VIN(rms)為輸入電壓有效值,PIN為輸入功率,fSW為開關(guān)頻率,D為占空比,PF為功率因數(shù),n為變壓器匝數(shù)比,VO為輸出電壓。

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

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1.2.2 變壓器磁芯的選擇

    設(shè)計中考慮電源的功率、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:

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式中,AW為磁芯窗口面積,Ae為磁芯截面積;PO為輸出功率;ΔB為磁芯工作磁感應(yīng)強度,取0.23 T;Ku為窗口有效使用系數(shù),取0.3;Kj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)AL=2 000 nH/N2,Ae=40.3,AW=78.73,AP=0.317 3>0.023 9。

1.2.3 初次級線圈數(shù)及磁芯氣隙的確定

    設(shè)計中選取的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:

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    初級次級匝數(shù)比:

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    初級電流:

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式中,Va是輔助繞組輸出電壓,取16 V。

1.2.4 初次級線徑的確定

    初級電流有效值Irms1、次級電流峰值IP2、次級電流有效值Irms2分別為:

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式中,SP為漆包線的截面積;Kj為電流密度,一般取2.5 A/mm2。

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

1.3 PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計

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

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    圖3中,EAOUT引腳的輸入電壓和VINS引腳的輸入電壓通過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)斷時刻。當(dāng)ISENSE引腳的輸入電壓Visense≥0.67×(VEAOUT-2.5 V)×(VVINS+75 mV)時,MOS管關(guān)斷,而MOS管的開通是由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,所以能檢測到變壓器的退磁過程(即次級電流放電過程),從而使芯片強制工作在臨界導(dǎo)通模式。

    如圖2,T2副邊電流經(jīng)過變壓器耦合到原邊,經(jīng)R9、R10后轉(zhuǎn)換為電壓,通過R7和C6組成的低通濾波器送入UCC28810的電流采樣引腳ISENSE構(gòu)成電路檢測及濾波電路,經(jīng)R18、R19、R20分壓后送入UC28810的瞬時半正弦波檢測引腳。

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)動芯片SN3350組成[9-10],利用INA193采樣流過負(fù)載LED的實時電流,并送CC2530進(jìn)行處理,如圖4所示。

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    通過在LED兩端并聯(lián)一個多層瓷片電容C14,可以使輸出電流的紋波減小。這個電容雖然不會影響系統(tǒng)頻率和效率,但是會通過減小LED兩端電壓上升速度,增加啟動時間。

2 實驗與結(jié)果分析

    圖5為交流110 V和220 V輸入時的波形圖。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)表測試,PF值為0.975和0.983,實現(xiàn)了較好的功率因數(shù)校正。

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    AC/DC變換后的輸出30 V電壓波形如圖6所示,提供給后級LED恒流電路。從測試波形可看出,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。

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    對LED驅(qū)動電源進(jìn)行整體測試,實驗測試的結(jié)果如表1所示。

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    分析表1的測試數(shù)據(jù),對于第一級電源,在95 V~258 V交流電壓輸入的情況下整個電源都能正常工作,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。對于第二級電源,整個測試的過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,實現(xiàn)了高功率因數(shù)、高效率的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

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

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