led路灯开关电源设计设计方案

LED 路灯开关电源设计设计方案 LED 路灯是低电压、大电流的驱动器件,其发光的强度由流过 LED 的电流决定,电流过强会引起 LED 的衰减, 电流过弱会影响 LED 的发 光强度,因此 LED 的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率 LED 使用的安全性,同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率 LED 需要 解决降压、隔离、PFC( 功率因素校正)和恒流问题 ,还需有比较高的转换效率,有较小的体积,能长时间工作, 易散热,低成本,抗电磁干扰, 和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的 PFC 开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高 ,在 LED 路灯使用过程中取得满意的 效果。 1 基本工作原理 采用隔离变压器、PFC 控制实现的开关电源, 输出恒压恒流的电压,驱动 LED 路灯。电路的总体框图如图 1 所示。 LED 抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。LED 路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网 负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌 ,有些浪涌会导致 LED 的损坏。因此 LED 驱动电源应具有抑制浪涌侵入, 保护 LED 不被损坏的能力。EMI 滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块, 影响控制电路的正常工作。 三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下,输出直流电压。主开关 DC/AC 电路将直流电转换为高频脉冲电 压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC 滤波和 EMI 滤波,输出 LED 路灯需要的直流电源。 PWM 控制电路采用电压电流双环控制,以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件 TSM101 和比较器,反 馈信号通过光耦送给 PFC 器 L6561。由于使用了 PFC 器件使模块的功率因数达到 0.95。 2 DC/DC 变换器 DC/DC 变换器的类型有多种, 为了保证用电安全, 本设计方案选为隔离式。隔离式 DC/DC 变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、 半桥式、全桥式和推挽式等。其中,半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合, 其激励电路复杂,实现起来较困难;而正激式和反 激式电路则简单易行,但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化的情况 ,且本电源系统中 PFC 输出电压会发生较大的变化,故 DC/DC 变 换采用反激方式,有利于确保输出电压稳定不变。 反激式开关电源主要应用于输出功率为 5150 W 的情况。这种电源结构是由 Buck-Boost 结构推演并加上隔离变压器而得到, 如图 2 所示。在反激式拓扑中,由变压器作为储能元件。开关管导通时 ,变压器储存能量,负载电流由输出滤波电容提供;开关管关断时, 变压器将 储存的能量传送到负载和输出滤波电容,以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。 图中 T1 为高频隔离变压器,VQ1 为 CMOS 功率三极管 17N80C3,VD7 和 VD8 是瞬变抑制二极管 ,VD6 为快恢复二极管,VD5 为双二 极管,C3 、 C4、C5 和 C6 为电解电容器。 Ubout 是来自整流桥的脉动直流信号,GD 是来自功率因数校正电路的控制信号。变压器的引 线 l 和 2 组成一个绕组,给 PFC 器件提供工作电源 ,引线 11 和 12 组成一个绕组, 为恒流恒压器件和比较器提供工作电源。 3 反馈网络电路 3.1 恒流恒压电路 本设计使用恒流恒压控制器件 TSM101 调节输出电压和电流,使之稳定。电路如图 3 所示。通过 TSM101 的控制作用,保证了电源恒流 (CC)和恒压(CV) 工作。图 3 中,Uout+和 Uout-是隔离变压器经过双二极管和电解电容器滤波的电压,再经电感 L4 和电容滤波后的输 出为 Uout+和 Uout-,为本电源模块的输出电压, 直接加在 LED 路灯上。可调电阻器 RV1 和 RV2 分别调节输出电压和电流的大小。 R10 和 R11 为 22 m 的电阻, 分别对电源输出的电压和电流采样。 TMS101 的输出 TOUT 通过光电耦合器、可控硅和三极管等电路 送到 L6561 的引脚 5,通过反馈电路实现恒流控制。器件引脚 8 接辅助电源,引脚 4 接变压器 T1 副边地。 3.2 比较器电路 采用比较器 LM258,电路如图 4 所示。 输出端的采样电阻两端的电压信号 VR+和 VR-送到比较器 LM258,通过与预设电压进行比较,产生电压反馈信号 DOUT。VF 为变压器 T1 副边绕组产生的辅助电源。 4 PFC 电路 本设计采用最常见的有源功率因数校正的控制器件 L6561。PFC 电路工作原理如图 5 所示。 L6561 的引脚 8 为电源输入端,由变压器 T1 的副边绕组提供;引脚 7 为驱动信号输出引脚,直接驱动 MOS 管 VQ1;引脚 6 为参考地,该 引脚和主回路的地连在一起;引脚 5 为过零检测引脚,用于确定何时导通 MOS 管。变压器 T1 的引脚 1 和引脚 2 组成的绕组, 通过电阻将 电感电流过零信号传输至该器件的引脚 5,同时比较器 LM258 产生的信号 DOUT 通过光耦、三极管、可控硅等传输至器件的引脚 5,以 检测输出电流。引脚 4 为 MOS 管电流采用引脚,器件将该引脚检测到的信号与器件内部产生的电感电流信号相比较,来确定何时关断 MOS 管。图 2 中电阻 R4 作为电流检测电阻,采样 MOS 管电流, 该电阻一端接于系统地,另一端同时在 MOS 管的源极和器件的引脚 4。 引脚 3 为器件内部乘法器的一个输入端, 该引脚与整流桥电路输出电压相连,确定输入电压的波形与相位, 用以生成器件内部的电感电流参 考信号。图 5 中,Ubout 经 3 只电阻分压后传送到引脚 3。引脚 2 为内部乘法器的另一个输入端,同时为电压误差放大器的输出端,引脚 1 为系统反馈电压的输入端。恒流恒压器件的输出 TOUT 通过光耦将电压反馈传送到器件的引脚 1,形成输出电压的负反馈回路。电阻 R28 和电容 C18 连接于器件的引脚 1 和引脚 2 之间,用于形成电压环的补偿网络。 5 测试结果 电源模块电装完后,加上负载 ,用示波器对关键点测试 ,图 6(a)为整流桥的输出电压 Ubrout+,图 6(b)为 Ubrout+流过电感后的电压 Ubout+的波形, 图 6(c)为双二极管的输出电压 Ucout+的波形。 6 结论 采用有源 PFC 功能电路设计的室外 LED 路灯电源 ,内置完整的 EMC 电路和高效防雷电路, 符合安规和电磁兼容的要求。采用电压环反馈,限 压恒流,效率高 ,恒流准 ,范围宽,实现了宽输入 ,稳压恒流输出,避免了 LED 正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使 LED 的亮 度稳定。整机元件较少,电路简单。功率为 90 W,功率因数达 0.95。根据用户需求可在恒流输出中增加 LED 温度负反馈,防止 LED 温 度过高。 大功率 LED 驱动电源设计方案 摘要：介绍了大功率 LED 的特性，分析了市场上常见的驱动电源，研究了在路灯照明领域应用中为能更好地发挥 大功率 LED 的优点， 驱动电源必须满足大电流输出，以达到理想的发光强度，保证 LED 使用寿命。实验表明，采用恒流加温度补偿方式驱动 LED 的设计 方案可行。 大功率 LED 的驱动需要直流低电压、大电流，所以传统电源并不适合直接驱动它， 因此普通的降压、稳压电源必须进行必要的改进。 笔者特为工作电压为 3.4 V、工作电流为 350 mA 的大功率 LED 设计一驱动电源。根据大功率 LED 的工作特性，分析市场上常见的 驱动电源， 研究了在路灯照明领域的应用， 为了能更好地发挥大功率 LED 的优点，驱动电源必须满足大电流输出， 且需要顾及散热、 过压、过流、过温保护等多个因素。本方案设计的驱动电源采用散热基板方式， 既能很好地解决散热问题， 采用并联齐纳管的方式来 对过压、过流进行保护， 采用具有温度补偿电路来保护出现过温现象， 从而解决了上述几方面问题。 1 大功率 LED 的光控电路 由图 1 可知， 220 V 交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压， 在 A， B 两端获得稳定的 12 V 直流电（见图 1）。在白天 由于光敏电阻 RG 受到自然光的照射呈现低电阻， 三极管 VT 的基极电位低， 而被反偏置， 因此 VT 截止， 单向可控硅 VS 门极为 低电平被关断， LED 驱动电路未启动， 所以 LED 不亮。到天黑时光敏电阻 RG 因无光照呈现高电阻， VT 导通， VS 的门极即有 正向触发电压而导通， LED 驱动电路启动， LED 通电发光。 2 大功率 LED 的驱动电源 驱动大功率 LED 的主要目标是产生正向电流通过器件， 比较理想的白光 LED 可采用 MBI1802 芯片来实现恒流驱动， 它能抑 制大功率 LED 正向电压改变而造成的电流波动， 可实现可控的正向电流， 保证提供可控的显示亮度。 由图 2 可知， 通过稳压二极管（D6 ） 可为 MB1802 芯片提供稳定的驱动电压， 此时通过大功率 LED 的电流主要由参考电压 值和 MBI1802 芯片工作电压来决定（见图 2）。绝大多数显示器都需要多个 LED， 若设计人员灵活地驱动多个 LED， 应将所有 LED 串联， 确保每颗 LED 的电流都相同。 同时， 在每个 LED 两端并联一个齐纳管， 能为 LED 提供开路保护。若要以并联方式驱动白光 LED， 每个白光 LED 都必须串 联一个镇流电阻，为避免通过其电流出现差异， 这些电阻也会消耗功率， 降低电路效率， 所以采用串联方式可驱动多个 LED。 3 LED 电源的温度补偿及调光电路 由于 LED 的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源， 当 LED 周围温度低于安全温度点时， 输出最高容许电流并保持不变； 当 LED 周围温度高于安全温度点时， 工作电流就不在安全区内， 这将导致 LED 的性能远低于标称数值。如果 LED 周围温度过高则是 由 LED 自身发热导致， 所以为了确保 LED 的性能、寿命不受影响， 必须通过电路的温度补偿功能来解决这一问题。 由图 3 可知， 采用 AVR 单片机及 MBI1802 芯片的工作电压为 5 V， 通过 MBI1802 的一个外部电阻器 Rext，可以调节输出 电流的范围为 40360 mA，在特定的光照下， 只要不超过 LED 的额定电流， 可随意输出电流， 这样用户可以灵活的控制 LED 的 光强度。同时， MBI1802 芯片的第七脚连接 AVR 单片机， 根据温度传感器 18B20 所测到温度和检测到的光敏电阻 RG 的阻值， AVR 单片机通过输出 PWM 波到 MBI1802 来控制其输出电流， 实现 LED 的温度补偿， 同时可以精确调节 LED 亮度， 进而实现 LED 的调光功能。 4 恒流效果实验 如果 LED 的驱动未采用恒流源驱动方式， 那么 PN 结半导体器件在正向导通后， 结电压 VF 随环境温度上升而下降， 即-2 mV/， 称 PN 结的负温度效应， 该特性直接影响它的发光效率、发光亮度、发光色度。例如当常温 30 时， 选择 LED 最佳工作 电流为 135 mA， 当环境温度升到 90 ， 结电压 VF 下降， 工作电流急剧增加到 265282 mA；当温度下降至-40 时， 结电 压 VF 上升， 最佳工作电流将从 135 mA 减小到 27 mA， 发光亮度也随电流的减少而降低， 达不到所需的照度， 如图 4 中电流 曲线 I。 通过实验， 利用 Excel 软件的图表功能进