大功率LED照明恒流驱动电源的设计

主回路设计

大功率LED照明恒流驱动主电路采用优异的BOOST和DC/DC的两级组合方式，具有良好的动态响应和稳流特性，解决了电网的谐波污染问题，使大功率LED驱动电源更加绿色环保。

BOOST采用主动式有源功率因数校正(APFC)电路，工作在连续模式，谐波电流和开关管电压电流应力小。DC/DC采用半桥LLC串联谐振转换器，元器件数量有限，谐振储能(tank)元件能够集成到单个变压器中，因此只需要1个磁性元件。在所有正常负载条件下，初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件，而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作，没有反向恢复损耗。特别适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI 性能优异的解决方案。

传统功率因数校正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元器件多、体积大而且成本高。因此，设计时往往要在性能和成本之间进行折衷。本设计采用了IR1150，它是一种新型的单周期AC／DC功率因数校正控制芯片，采用了IR公司的专利单周期控制(0ne-cycle control，OCC)技术，无须传统PFC电路所需的模拟乘法器、输入电压采样以及固定的三角波振荡器，大大简化了PFC电路的设计并缩小了装置体积。

半桥LLC串联谐振转换器采用飞兆半导体公司推出的高集成度绿色FPS功率开关FSFR2100。其采用零电压开关(ZVS)技术，能够大幅降低MOSFET和整流器的开关损耗。采用这种技术，此FPS开关无须散热器即可处理高达200W的功率，使用散热器更可处理高达450W的功率。较之于传统的硬开关转换器拓扑，FSFR2100的效率提高了10%。它可以在输入和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。此外，它可以在整个运行范围内实现零电压切换（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和激磁电感，都是用来实现ZVS的。

照明恒流驱动电源主电路如图3所示，前级APFC实验电路输入电压AC 220V，额定输出DC 380V，开关频率f选择70kHz，后级半桥LLC串联谐振转换器。输出电压范围：DC 300～360V，输出额定电流350mA，谐振频率f0选择100kHz，变压器匝比n=Np/NS=0.6，功率满足150～300W的输出功率范围。主电路依次是85V～264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC（隔离）恒流→多颗LED串联，APFC可以选用功率因数校正控制器 IR1150、L6562和FAN7527B等，半桥LLC串联谐振转换器选用FSFR2100。


图3 大功率LED照明恒流驱动电源主电路

关键技术设计

LED照明驱动方式，由于直接将RSET连接FB端会造成RSET的功耗过大，所以功率较小的LED恒流驱动电源往往在FB反馈端和RSET之间放置一个运算放大器以降低功耗。如图4所示，运算放大器获取采样电阻RSET上的电压，结合其他电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路。这样就能在确保LED获得恒流供电的同时，将RSET的功耗降低到可以接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。


图4 功率较小的LED恒流驱动

大功率LED恒流驱动电源采用先稳压，再限流的混合方式。为适应负载需要，电压需要保证在一定范围内。LED的Vf值在3～3.6V之间，那么按LED实际数量即可确定电源部分需要调整的电压范围。大功率LED恒流驱动如图5所示，设定稳压源的最大设定值VSET（比如DC360V），设定稳流源的设定值ISET（300mA～1.4A），采样RSET上的电压，若超过稳流源的设定值时，则输出电压相应下降，根据LED灯串联数量的多少，输出电压可降至最小值（如DC 300V）。


图5 大功率LED恒流驱动

开关调节控制模式与电阻限流方式相比，电路成本较高；控制环路可准确调节LED电流；可实现幅值和低频PWM调节；能够实现LED特性的自动温度补偿；宽输入电压范围；基本上不需散热器，可节省成本，对于高输入电压和大工作电流，其他驱动方案会导致非常高的损耗，然而此模式仍能保持高效工作。

技术指标

根据上述设计方案，大功率LED照明恒流驱动电源的主要技术指标为：输入电压85～264V；频率47～63Hz；输出功率 100W；输出电流：350mA±5%或700mA±5%；输出方式：多颗1W以上大功率LED串联方式；输出电压范围：DC 300～360V，效率≥90％，功率因数≥0.99，谐波≤5%，稳流精度≤5%；具有定时、调流、关机功能；具有过压、过流、短路和过温保护功能；全密封，防水要求IP65，外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm，重量1.5kg。工作温度-40～+70℃，储存温度 -50～+85℃，符合相关安规、ROHS和电磁兼容标准、防雷设计（ICE-61000-4-5 Class 4）。较好地满足了照明工程的要求。