一种高性能可智能控制型LED路灯驱动电源的设计

摘要：本文针对传统驱动电源电能损耗大、效率和智能化程度低的缺点，设计了一款适用于大功率LED路灯的高性能可智能控制型驱动电源。本文选择了多级驱动方案，即功率因数校正(PFC)电路、LLC谐振控制电路和多路恒流输出的三级式结构。本文采用合理的设计，优化了功率校正因数，增大了输入电压范围，提高了整机效率，使输出电流在全负载范围内更加稳定，同时增加了PWM调光控制功能，可根据外界环境的变化智能控制LED路灯的亮度，从而达到进一步节能减排的效果。

引言

由于具有高光效、长寿命、灯具效率高、环保和易于调光控制等优点，半导体照明是目前被各国公认为最有发展前景的高效照明产业，被称作继白炽灯、荧光灯后照明光源的又一次革命^[1]。我国推出的“十城万盏”计划^[2]，使LED路灯得到了越来越多的应用。但是，LED路灯在取代传统路灯的道路上还有许多亟待解决的难题，主要包括光学设计、散热以及驱动电源等问题，同时智能控制和无线通信也成为LED路灯的研究重点。

本文采用多级驱动方案，使驱动具有较高的功率因数和效率，并解决了传统方案驱动器件多、成本高、体积大的缺陷。易于调光控制也是LED照明的一大优点，设计中采用了可PWM调光的模块，使得驱动电源具有智能控制的接口，便于在此基础上开发LED路灯智能照明控制系统。

1 系统结构

本系统采用3级驱动电路结构，系统结构图如图1，前级是功率因数校正电路，主要作用是采用谐波抑制技术限制谐波的含量。中间级是LLC谐振电路，完成隔离和降压功能，保证电路具有较高的转换效率。最后一级为恒流输出电路，为LED提供恒定的电流，同时具有PWM调光控制功能，通过智能控制系统来调节LED的亮度。

2 驱动电路原理及实现

2.1 PFC电路的设计

为了提高电能的利用率，现在一般的开关电源都需要在前级加入功率因数校正(PFC)电路^[3]，其中升压PFC有源功率因数校正是最具成本效益的方法。本文采用PI公司推出的PFS708EG专用芯片，该芯片具有极高的集成度，集成了一个连续导通模式(CCM)升压PFC控制器、栅极驱动器、超低反向恢复二极管和高压功率MOSFET，采用了创新的恒定伏秒/安秒控制方法，可极大减少元器件数量、降低装配成本和布板尺寸^[4]。图2所示为PFS708EG的典型应用图。

本设计采用一种恒定的安培-秒导通时间和恒定的伏-秒关断时间控制方法，该方法可以调节输出电压和整形输入电流以使其符合谐波电流限值(高功率因数)。即控制开关电流在导通时间内具有恒定的安培-秒从而使平均输入电流跟随输入电压，同时保持由升压电感器的电磁特性所决定的恒定的伏-秒平衡，从而调节输出的电压和功率。如下所示，设置关断时间(t_off)的恒定伏-秒为：

上式表明，输入电流i_IN正比于输入电压V_IN，因此满足了对于功率因数校正的基本要求。

由上述原理可知，在升压PFC电路中电感L1用于当MOSFET导通时储存能量，而对于本设计中的连续导通模式，当MOSFET关断时只有一部分储存的能量被传递到输出电路。设计中所需的最小电感值的计算方式如下：

其中V_O为PFC端的输出电压，V_IN为PFC端瞬时输入电压，V_MIN(PK)是低线路输入电压峰值，△I为纹波电流的峰峰值，F_S为电路的开关频率，D为占空比。图中C2为PFC端输出电容，作为能量储存器为输出电压滤波，决定了输出电压的纹波，输出电容既要满足保持时间所需的电容值，也要求满足输出纹波的要求，其计算方式如下面两式所示，选取计算所得的较高电容值作为输出电容值。

2.2 LLC谐振电路设计

LLC谐振电路是LED路灯驱动电路的核心部分，LLC谐振电路是在传统串联和并联LC谐振电路的基础上产生的，它实现了软开关，具有较高的功率密度和效率。本设计采用PI公司生产的LCS702HG控制芯片，它集成了LLC控制器、上管和下管驱动器以及两个半桥MOSFET，此控制器通过改变频率，使得MOSFET在零电压时切换，消除了损耗，提高了效率，其高度的集成度减少外部元器件多达30个，降低了成本且减小了PCB面积^[5]。其电路设计如图3所示。

LLC转换器要求在开关半周期之间具有固定的死区时间。如图3所示，连接于DT/BF引脚、VREF引脚和接地引脚之间的电阻分压器用于设定死区时间，最大启动频率以及脉冲阈值频率。FB引脚是反馈回路的频率控制输入端。频率与反馈引脚电流成正比。引脚HB的输出通过一个谐振电容C2驱动输出变压器T1，该电容用于确定工作纹波电流和在故障条件下能够承受的高电压。

变压器T1的漏感设计为50μH，这样和谐振电容C2一起确定了初级串联谐振频率，如下式所示：

其中