一種100 W LED路燈驅動電源設計

摘要：設計了一種恒流型100 W LED路燈驅動電源。該電源采用反激拓撲，輸入220V／50 Hz的交流電，能夠實現穩(wěn)定的恒流輸出，開路狀態(tài)下具有限壓保護功能。與傳統(tǒng)的LED驅動電源相比，該電源兼顧了高效率和功率因數，同時簡化了電路結構，降低了成本。在此對該驅動電源的電路進行簡要介紹，分析了恒流原理，同時闡述了變壓器的設計方法，最后搭建的樣機滿載效率達到87．5％，功率因數達到0．9以上，帶燈后恒流輸出在3 A，電流紋波小于50 mA。
關鍵詞：電源；反激變換器；恒流

1 引言
LED路燈是半導體照明最終進入千家萬戶的功能性照明的第一步，其優(yōu)點是省電、安全、環(huán)保、方向性強、長壽命、易維護、易控制等。用LED路燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)路燈，1盞每年可節(jié)電1 000 kW·h。近來，我國在硅基LED材料生長與芯片制造技術上取得了重大突破，從源頭上避開了目前國際主流的LED照明技術(藍寶石襯底LED照明技術和碳化硅襯底LED照明技術)的專利制約，開辟出一條硅基氮化鎵LED照明新技術路線，這必將大幅降低LED的成本，進一步推動大功率LED路燈的推廣。
目前的LED驅動電路主要有線性穩(wěn)壓源、開關穩(wěn)壓源、開關恒流源。線性穩(wěn)壓源的優(yōu)點是電路簡單，成本很低，缺點是效率低、溫升高、體積大；開關穩(wěn)壓源優(yōu)點是體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬，缺點是亮度不穩(wěn)定，對元器件要求高；開關恒流源的優(yōu)點是效率高、體積小、LED亮度穩(wěn)定，缺點是對元器件要求高，LED大規(guī)模并聯亮度不一致。開關恒流源又主要分為反激電源和諧振電源，諧振電源效率相對較高，但成本也較大。作為路燈照明．要求驅動適應惡劣環(huán)境，穩(wěn)定性高，電路簡單，同時燈應無閃爍。因為路燈功率一般較大，整體亮度很高，對LED并聯串的亮度一致性要求不高。同時路燈照明對效率和成本要求較高，鑒于諧振電源相對反激電源效率提升有限，采用反激結構的開關恒流源不失為100 W功率級LED路燈驅動的最佳選擇。
在此設計了一款結構簡單，性能優(yōu)良的100WLED路燈驅動電源，采用反激拓撲，實現了穩(wěn)定的恒流輸出，具有良好的過流、欠壓及過溫保護功能，同時兼顧了高效率和較高功率因數校正值。

2 系統(tǒng)結構
為了減少電網諧波，傳統(tǒng)大功率LED驅動電源一般由APFC+DC／DC變換器構成，通常這樣的兩級結構效率不超過85％，同時成本也會增加。文中LED驅動采用無源PFC反激變換拓撲，系統(tǒng)結構如圖1所示。

EMI濾波采用標準的電感電容連接方式，抑制交流電網的高頻干擾和電源對交流電網的干擾。PFC部分采用填谷式無源PFC電路，這種電路結構簡單，能夠實現較高的功率因數，缺點是輸出電壓波動較大，但由于后面接DC／DC電路，所以該缺點對此驅動電源無影響。PFC電路輸出的能量經高頻變壓器傳遞給次級電路，高頻變壓器是驅動電源設計的關鍵，其設計將在后面詳細講解。功率MOSFET的選取是另一個關鍵，需考慮功率管的耐壓及變壓器初級電流，一般功率管的額定電流選為初級電流有效值的十倍，以保證足夠的余量。同時導通電阻要低，防止導通損耗過大。
該LED驅動采用通用的電流模式PWM控制器UC3843A作為主控芯片，該集成電路具有可微調的振蕩器、高增益誤差放大器，能進行精確的占空比控制，同時具有多重保護功能，采用大電流圖騰柱輸出，是驅動功率MOSFET的理想器件。主拓撲采用反激變換拓撲，通過控制開關管的開斷，將變壓器儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容。次級采用集成電路TSM101將電壓和電流采樣信號與內部的基準進行比較，比較后的信號通過光耦反饋給初級的PWM控制器進行脈寬調節(jié)以保證該LED驅動電源恒流輸出。當恒流輸出失效時，能夠實現恒壓輸出，保護負載。

3 設計原理
3．1 反激變換原理
該設計采用圖2所示的反激變換拓撲，其工作原理是：開關管導通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供；開關管關斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容提供負載電流時消耗的能量。令Lp為變壓器初級勵磁電感，Ton為開關管導通時間，Udc為整流后的直流電壓，開關管開通結束時，初級電流ip=UdcTon／Lp，此時變壓器儲存的能量E=Lpip2／2。當開關管關斷時，如果變壓器次級電流能夠降為零，則為不連續(xù)導通模式(DCM)，變壓器儲存的能量全部傳遞到次級：如果變壓器次級電流不能降為零，則為連續(xù)導通模式(CCM)，該設計滿載下采用CCM。