一种高转换效率高功率因素的大功率LED电源研究

大功率LED照明驱动电源对led灯具整体的效能、寿命、维护成本有直接的影响，高转换效率、高功率因素、简化线路、高可靠性、减少电磁污染是对高性能LED驱动电源的主要挑战。本文探讨了一种基于PLC810PGPFC控制芯片PFC+LLC结构的驱动电源设计，满载工作情况下电源输入输出转换效率可达到92%，电源功率因数可达到98%，具有集成度高、元件少、可靠性高的特点，能推广用于80W~150W的LED照明灯具的驱动电源。

0 引言

LED照明与其他照明相比具有以下优点：1）发光效率高，耗能少，而且光的单色性好、光谱窄；2）使用寿命长，LED的使用寿命可以长达近十万小时；3）安全环保；4）启动时间短；5）体积小。

大量的LED路灯需要配套相应的驱动电源，因此研制高效率高功率因数的LED驱动电源也具有庞大的需求和广阔的市场前景。

本文根据杭州某家照明灯具厂商的要求，开发研制一种适用于80W~150W的LED照明灯具的驱动电源，要求有较高电源输入输出转换效率和较高的电源功率因数，可靠性高、符合IEC-61000标准。

1 主电路拓扑结构选择

当采用开关电源拓扑结构时，必须满足IEC61000-3-2等标准关于D类设备电流谐波限制性规定，同时还必须符合对C类（照明）设备的电流谐波限量要求和"能源之星"等规范对功率因数（PF）不能低于0.9的要求。为达此目的，LED路灯电源必须采用功率因数校正（PFC），同时还要求采用支持相应功率的电源拓扑结构。

目前AC/DC恒流源驱动IC正从反激式拓扑结构转向高效率谐振半桥（LLC）+PFC拓扑结构，以充分发挥零电压开关拓扑结构（ZVS）的优势，和满足LED灯具对PFC（功率因素较正）日益提高的要求，并要求能提高效率>90%.宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真（THD）是基本的要求。

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。

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、高能效和性能优异的解决方案。

因此，主电路采用FPC（采用CCM方式）+LLC二级拓扑结构。

由于PLC810PG同时集成了CCM方式PFC和LLC控制器，特别适合本系统方案设计的需求。

2 基于PLC810PG的大功率LED电源电路设计

基于PLC810PG的大功率LED电源电路图如图1所示。

LED驱动电源分为输入电路、PFC升压变换器和LLC谐振转换器等几个主要部分。

图1电源电路图

输入电路部分主要由输入滤波器、桥式整流器（BR1）等组成，C1~C6 和L1、L2 及R1~R3 组成EMI 滤波器。C1 和C5 连接在相线L 和中线N 之间，用于保护地（E），同时用于控制高频（>30MHz）噪声。C3 和C4 提供差模EMI 滤波。共模电感器L1、L2 控制低频和中频（<10MHz）EMI，C2 和C6 控制中频区中的谐振峰值。当交流（AC）电源切断时，R1、R2 和R3 为EMI 电容放电提供通路，以满足安全要求。　　

F1 是保险丝，起短路保护作用。RV1 用作过电压保护。RT1是NTC 热敏电阻，在电路启动期间限制浪涌电流。当电路启动之后进入正常操作时，继电器动作，将热敏电阻短路，由于RT1 没有电流通过，使电路效率至少能提高1%。　　

PFC 升压变换器主电路由L4、升压二极管D2、PFC 开关Q2、输出电容C9、C11 等组成。在AC 输入电压范围为140~265V 时，PFC 输出直流（DC）升压电压（VB+）稳定在385V，并且在桥式整流器BR1 输入端产生正弦电流，使系统呈现纯电阻性的负载，线路功率因数接近于1。　　

PLC810PG 的PFC 部分采用无需正弦信号输入参考的通用输入连续电流模式（CCM） 设计，从而减少了系统成本和外部元件。　　

Q1 和Q3 等组成Q2 的缓冲级。Q2 栅极和漏极分别串接了铁氧体磁珠，可以改善EMI。
　　

PFC 缓冲级Q1 选用60V、1A、采用SOT-23 封装的FMMT491TA 型NPN 晶体管。 Q3 选用60V、1A、采用SOT-23 封装的FMMT591TA 型PNP 晶体管。偏置电源中Q26、Q17选用40V、0.2A、采用SOT-23 封装的NPN 型小信号晶体管MMBT3904LT1G。　　

PFC 开关Q2 选用STW 20NM50FD，500V，20A，导通电阻0.22Ω，采用TO-247AC 封装。　
　

R6 和R8 是PFC 级电流传感电阻。连接