潘建全
东莞市冠宸电子科技有限公司
摘要：传统LED驱动电源通常为基于电解电容的两级拓扑结构，其效率较低，寿命周期短;去除电解电容可提高电源寿命，但会带来LED频闪。为此，本文提出一种基于LLC谐振的单级无桥PFC无电解电容无频闪的电源，采用新型无桥PFC拓扑，将其与不对称半桥型LLC谐振变换器集成单级拓扑，从而提高电源效率;为解决无电解电容所带来的LED频闪问题，在单级电源的输出端并联一双向变换器，采用电压电流双闭环控制消除造成LED频闪的两倍频谐波分量。最后，搭建一台144W的实验样机，实验结果验证所提出的单级无桥拓扑及无电解电容方案的有效性和可行性，其最高效率可达93.41%。
关键词：恒流源LED驱动；PWM调光；无频闪；高PF
引言
LED制造工艺以及制造材料发展迅猛，它在景观照明、建筑装饰、电子产品背光等领域已经得到了广泛应用。然而在普通照明以及路灯照明等领域，LED的应用还没有得到大规模的推广，其瓶颈主要在于:一是LED发热量大，温升高，导致寿命缩短;二是易损坏的电解电容在驱动电源中得到使用限制了驱动电源的寿命，导致LED照明系统的寿命进一步缩短。
1新型LED电源的电路拓扑及工作原理
1.1单级无桥PFC与LLC谐振变换器
主电路采用一种单级无桥PFC拓扑，把无桥PFC交直流变换器和不对称性半桥LLC谐振变换器集成为一个单级拓扑，电感L1、电容Cin组成单级驱动器。电感L1工作在电流断续模式(Discontinu ousCurrentMode，DCM)，可自动实现PFC，而且电流断续模式可避免整流二极管的反向恢复，无桥的结构可降低输入整流损耗，LLC谐振变换器可实现原边开关管的零电压开通与副边整流管的零电流关断，软开关的特性使其具有较低损耗。
本文主电路的控制框:SEA05为恒压恒流控制器，通过电阻Ｒ1、Ｒ2检测输出电压，同时通过电流互感器检测输出电流Ict，输出信号通过隔离光耦(PC817)反馈到高压谐振控制芯片(L6599)，L6599采用脉冲频率调制(PulseFrequencyModula tion，PFM)产生两个互补的门极驱动信号vgs1、vgs2，通过控制开关管Q1、Q2开通关断保持输出电压、电流恒定，为简化对工作过程的分析，作如下假设:
(1)开关管Q1、Q2互补导通，考虑其寄生电容、二极管。
(2)模态分析过程中，省略输入LC滤波器、输出滤波电感Lo。
1.2两倍频谐波滤除电路设计
采用Buck-boost双向变换器的设计直流侧两倍频谐波滤除电路，Buck-boost电路并联在输出滤波电容Co两端，滤波电容Co只滤除脉动直流的高频分量，而不滤除两倍工频的谐波分量，故其容值很小，可采用薄膜电容或陶瓷电容代替电解电容。高频纹波忽略不计时，可认为Buck-boost电路输入电压等于电容Co两端电压。
双向变换器控制:电路采用双闭环控制，正常工作时，需使输出端储能电容电压uCdc大于输入端电压U1，为此加入电压外环，将检测的输出电压与给定参考电压比较，经过误差放大器，得到误差电压Ue，将电压环的输出与电流基准iref相加后，作为电流内环的给定。在输出侧放置电流互感器检测电流即Ict，经过低通滤波电路，滤除电流Ict中的高频分量，余下电流为直流分量和二倍频谐波分量，通过隔值电路可滤除直流分量，得到二倍频电流iref2，作为Buck-boost电路中输入电流的基准信号。
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2系统设计
针对现有技术存在的上述问题和需求，本论文提供一种不仅具有调光、功率因数高、无频闪、输出电流可调等优点，并解决因PWM调光而带来的摩尔波纹，结合了PWM调光的优点但避免它的缺点。能以低廉的成本在公建、别墅等大规模应用，并且不牺牲功率因数，若配合智能照明系统还可以实现按需开灯、调光等功能，达到节能的目的。具体描述如下：驱动由AC-DC和DC-DC2阶电路组成，前级电路采用反激式变换，将全球通用电压AC85~265V转为DC45V，为DC-DC电路供电。后级电路将DC45V转为可调恒流输出，给LED灯具供电。
AC-DC电路框图，AC-DC电路1由输入保护电路、EMI滤波电路、输入整流和滤波电路、钳位保护电路、反激式高频变压器、前级功率MOSFET、前级电流采样电路、DC输出滤波电路、电压反馈电路及AC-DC主控电路组成。输入保护电路由贴片保险、压敏电阻和负温度系数热敏电阻组成，抑制过流、浪涌、雷击等破坏LED驱动器。EMI滤波电路由安规电容和共模电感组成，抑制电网噪声，提高LED驱动器的抗干扰能力和稳定性。输入整流和滤波电路由整流桥和滤波电容器组成，将交流正弦电压转为脉动的直流电压。钳位保护电路由超快速恢复二极管、TVS管和阻容吸收器件组成，吸收反激高频变压器原边绕组两端的尖峰电压和感应电压。前级电流采样电路利用精密电流采样电阻，控制AC-DC电路的最大输出电流。电压反馈电路由光耦、三端可调稳压器、分压电阻和软启电路等组成，精确地将输出电压调至DC45V。AC DC主控电路包含PFC、过压保护、欠压保护、零电压检测等功能。
DC-DC电路框图，由调光接口电路、LED输出滤波电路、后级功率MOSFET、后级电流采样电路及DC-DC主控电路组成。调光接口电路框图，由光耦、滤波阻容器件、DC45～5V降压电路等组成，接收LED智能控制器输出的PWM信号，每路PWM信号最多支持25个以上的LED驱动器，大大降低了智能调光系统的成本，使得大规模廉价应用智能调光成为可能。同时DC45～5V降压电路和滤波阻容器件组成的有源滤波电路，能有效的解决PWM调光所带来的摩尔波纹，基本和模拟调光的无频闪效果相差不大。
后级电流采样电路，利用精密电流采样电阻，控制DC-DC电路的最大输出电流。该电路和上述的前级电流采样电路组合调节，可以在一定的范围内调节最终输出电流，提高了LED驱动器的灵活性。
3实现与验证
LED驱动电路原理，AC-DC主控电路采用意法半导体的PFC控制器L6562A，能接受从85~265V的全球通用交流电压输入，在较大的负载变化内能获得很低的总谐波失真（THD），对功率因数校正能起到很好的效果。
DC-DC主控电路采用华润矽威半导体公司的PT4207，它是一款非隔离系统的高频降压LED驱动芯片，采用恒流控制方式，实现了硬件成本低，效率高，恒流的精度高，可以使用内置350mAMOS管或者额外管脚能驱动外置MOS管，提供更大功率输出；调光管脚可提供PWM调光和线性调光功能。
结语
AC/DCLED驱动电源，在去除电解电容的同时消除LED频闪，是LED照明驱动技术发展的研究热点，本文提出一种高效率、无频闪的LED驱动电源，将单级无桥PFC与半桥LLC谐振变换器集成为一个单级拓扑，效率更高、成本更低，在储能电容Co两端并联一双向变换器，消除LED中二倍频谐波分量，解决LED频闪问题。LLC谐振变换器中开关管Q1、Q2可在全负载范围内实现ZVS，输出整流二极管D3、D4实现ZCS，极大地减小开关损耗。
参考文献
[1]田立东.40W可调光LED驱动器的技术研究[D].杭州电子科技大学,2012.
[2]沙占友.LED驱动电源设计入门[M].中国电力出版社,2012.
[3]普利斯曼.开关电源设计(第三版)[M].电子工业出版社,2010.
论文作者:潘建全
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：电路论文; 调光论文; 变换器论文; 电压论文; 电流论文; 谐振论文; 电解电容论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;