摘要：美國Power Integretions（PI）公司推出一種將功率因數(shù)校正（PFC）控制器、電感—電感—電容（LLC）半橋諧振控制器和功率MOSFET（柵極）驅動器集成在同一芯片和同一封裝內的PLC810PG新型IC。采用PLC810PG的150W LED路燈電路，輸入電流總諧波失真（THD）<7.5%，線路功率因數(shù)（PF）≥0.97，輸出48V/3.125A，電路總效率ytotal>92%，傳導EMI滿足EN5SO228/CISPR22B規(guī)范要求，安全性符合IEC950/UL1950（II類）規(guī)定。
關鍵詞：PLC810PG；PFC/LLC控制IC；150W LED路燈；輸入140~265VAC；輸出48V/3.125A；高效率；高PF；高可靠
0、前言
近兩三年以來，LED的應用已擴展到照明領域，LED道路照明是目前研究的熱點之一。用LED陣列和模塊取代道路照明應用的傳統(tǒng)電光源（如高壓鈉燈管），面臨許多技術問題需要解決。這些問題主要是LED路燈供電技術，LED路燈模塊技術和LED路燈燈具技術等。
LED路燈供電電源有兩種主要方式：一種是使用交流（AC）市電供電；另一種是利用太陽能供電。當使用工頻市電電源（如220/110V，50/60Hz）為LED路燈供電時，需要將AC高壓轉換為低壓恒流直流（DC）電壓。最簡單的AC/DC轉換方案是使用AC降壓變壓器加整流穩(wěn)壓電路，其優(yōu)點是電路簡單，元件數(shù)量較少，成本較低，但其性能卻不能滿足許多規(guī)范要求。LED路燈功率通常遠大于75W，當采用開關電源拓撲結構時，必須滿足IEC61000-3-2等標準關于D類設備電流諧波限制性規(guī)定，同時還必須符合對C類（照明）設備的電流諧波限量要求和“能源之星”等規(guī)范對功率因數(shù)（PF）不能低于0.9的要求。為達此目的，LED路燈電源必須采用功率因數(shù)校正（PFC），同時還要求采用支持相應功率的電源拓撲結構。美國PI公司推出一種型號為PLC810PG的PFC/LLC組合控制IC，支持150~600W的LED路燈電源、32至60 LCD TV電源和PC主電源及工作站電源。
PLC810PG采用24引腳窄體塑料封裝，符合歐盟RoHS指令要求。PLC810PG集成了PFC/LLC控制器和PFC MOSFET（柵極）驅動器及半橋高/低端MOSFET（柵極）驅動器，PFC與LLC頻率和相位同步化，具有過電壓、電壓過低、過電流保護和軟啟動等功能，為目前設計LED路燈電源提供了一種重要的解決方案。
1、基于PLC810PG的150W LED路燈電源電路及其工作原理
采用PLC810PG的150W LED路燈電源電路如圖1所示。
圖1所示的LED路燈電源分為輸入電路、PFC升壓變換器和LLC諧振轉換器等幾個主要部分。
1.1 輸入電路、PFC級主電路及偏置電源
LED路燈電源的輸入濾波器、橋式整流器（BR1）、連續(xù)模式（CCM）PFC升壓變換器功率級和控制IC的偏置電源電路顯示在圖1（a）中。
1.1.1 EMI濾波器
C1~C6和L1、L2及R1~R3組成EMI濾波器。C1和C5連接在相線L和中線N之間，用于保護地（E），同時用于控制高頻（>30MHz）噪聲。C3和C4提供差模EMI濾波。共模電感器L1、L2控制低頻和中頻（<10MHz）EMI，C2和C6控制中頻區(qū)中的諧振峰值。當交流（AC）電源切斷時，R1、R2和R3為EMI電容放電提供通路，以滿足安全要求。
PFC電感器L4有一個接地屏蔽帶，能阻止靜電和磁噪聲耦合到EMI濾波器元件中。PFC開關Q2（MOSFET）散熱器經(jīng)電容C80連接到初級地（B-），消除了散熱器作為傳導噪聲源進入機殼底板。
1.1.2 輸入保護
F1是保險絲，起短路保護作用。RV1用作過電壓保護。RT1是NTC熱敏電阻，在電路啟動期間限制浪涌電流。當電路啟動之后進入正常操作時，繼電器動作，將熱敏電阻短路，由于RT1沒有電流通過，使電路效率至少能提高1%。
1.1.3 PFC升壓變換器主電路
L4、升壓二極管D2、PFC開關Q2、輸出電容C9等，組成連續(xù)電流模式（CCM）PFC升壓變換器主電路。在AC輸入電壓范圍為140~265V時，PFC輸出直流（DC）升壓電壓（VB+）穩(wěn)定在385V，并且在橋式整流器BR1輸入端產(chǎn)生正弦電流，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性負載，線路功率因數(shù)接近于1。
Q1和Q3等組成Q2的緩沖級。Q2柵極和漏極分別串接了鐵氧體磁珠，可以改善EMI。
R6和R8是PFC級電流傳感電阻。連接在R6和R8上的二極管D3和D4，在浪涌期間箝位（箝位電壓為D3和D4的正向壓降，約0.7V×2=1.4V），R6和R8上的電壓以保護U1（PLC810PG）的電流感測輸入。
在系統(tǒng)加電時，對C9的充電電流通過二極管D1，而沒有浪涌電流通過L4，這就避免了L4出現(xiàn)飽和的可能性。PFC級輸入小電容C7用作旁路高頻成分，C7宜選擇低損耗丙乙烯電容器。電容C11用作減小Q2、D2和C9等高頻環(huán)路元件的EMI。
1.1.4 偏置電源與啟動電路
偏置電源高頻信號來源于L4的副繞組（即偏置繞組）。D22、D23、R109、C75、C76組成倍壓整流濾波電路。Q24、Q25、Q27和齊納（穩(wěn)壓）二極管VR9、VR10、VR11等組成偏置穩(wěn)壓器和啟動電路。在系統(tǒng)通電后，BR1輸出經(jīng)R113和Q24、D24對C70充電，為控制器U1（PLC810PG）提供啟動偏置，晶體管Q27、R111和VR9形成簡單射極跟隨穩(wěn)壓器。當偏置電壓Vcc達到穩(wěn)壓值時，Q25關斷啟動電路，同時Q26導通，接通繼電路RL1，將熱敏電阻RT1短路。
1.2 PFC/LLC控制電路及LLC轉換器
PFC電路控制輸入及LLC變換器電路見圖1(b)。
1.2.1 PFC控制電路
U1引腳GATEP上的PWM輸出經(jīng)R44驅動Q1、Q3和Q2。R6和R8上的電流傳感信號經(jīng)R45、C73低通濾波，輸入到U1的ISP引腳，以執(zhí)行PFC控制算法，提供過電流保護。PFC輸出電壓VB+（385V）經(jīng)R39~41、R43、R46和R50組成的分壓器檢測，并經(jīng)C25濾除噪聲，輸入到U1引腳FBP，用作對輸出電壓VB+進行調節(jié)，并提供過電壓和電壓過低保護。U1引腳VCOMP外部元件，用作頻率補償。
1.2.2 控制器U1電源與地隔離
Vcc經(jīng)電阻R37、R38加至U1引腳VCC和VCCL，將U1的模擬和數(shù)字供電分離。引腳VCCL為U1中半橋低端（下橋）驅動器供電，而半橋高端（上橋）驅動器則由自舉二極管D8、電容C23和電阻R42供電，并從引腳VCCHB施加。電容C29、C32和C31分別為U1引腳VCC和VCCL提供退耦和旁路。
R55、鐵氧體磁珠L7為FPC和LLC地（GND和GNDL）提供隔離。磁珠L6在Q10源極（驅動回復）與U1之間提供高頻隔離。
1.2.3 LLC諧振轉換器
（1）LLC輸入級
Q10和Q11是LLC轉換器的半橋高/低端MOSFET，它們由U1經(jīng)電阻R56和R58直接驅動。C39是變壓器T1初級諧振電容，它與T1初級形成諧振槽路。由于諧振電感器已結合進T1初級繞組線圈中，這種電路仍被稱為LLC諧振槽路，而不將其稱作LC諧振槽路。電容C40被安置到鄰近的Q10和Q11，用于旁路。
（2）LLC輸出級
變壓器T1次級輸出經(jīng)D9和C37、C38整流濾波提供48V的輸出，為LED路燈供電。T1次級串接的鐵氧體磁珠，用作抑制高頻噪聲。
（3）LLC控制電路
連接在T1初級繞組下端和Q11源極之間的R59是電流傳感電阻。R59上的電流感測信號經(jīng)R47、C35濾波輸入到U1引腳ISL，以執(zhí)行快速和慢速兩電平過電流保護。
48V的輸出被電阻R67、R66分壓采樣，經(jīng)2.5V穩(wěn)壓器U3、光電耦合器U2、R54、D16、R53等，輸入到U1的FBL引腳，以履行閉環(huán)反饋，進行輸出電壓調節(jié)，并提供過電壓保護，開關頻率與饋入引腳FBL的電流有關，流入引腳FBL的電流越大，LLC級的工作頻率也就越高。LLC最高開關頻率由連接在U1引腳FMAX與VRFE之間的電阻設定，可以為200~300KHz。開關頻率下限由電阻R47、R51和R53設定。適當選擇R52和R53，可以在輕載或無載時強LLC變換器進入突發(fā)模式（burst mode）。在該工作模式給出足夠的死區(qū)（即非交迭）時間，以保證MOSFET（Q10、Q11）零電壓開關（ZVS）操作。
U1引腳VREF外部C27是LLC級軟啟動電容。軟啟動時間由C27、R49和R51共同設置，其值可表示為：C27×[(R49×R51)/(R48+R51)]。
U3和U2周圍元件C24、C44、C51、R30、R70和R107等，為LLC級提供頻率補償。齊納二極管VR12的穩(wěn)壓電壓降低48V輸出，對U2起保護作用。
2、150W LED路燈電源主要元件選擇
2.1 功率MOSFET
PFC開關Q2選用STW 20NM50FD，500V，20A，導通電阻0.22Ω，采用TO-247AC封裝。
半橋開關Q10和Q11選用IRFIB7N50LPBF型N溝道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC封裝。
偏置電源中的Q24，選用600V、0.4A、8.5Ω采用SOT-223封裝的STN1HNK60型N溝道MOSFET。
2.2 雙極晶體管
PFC緩沖級Q1選用60V、1A、采用SOT-23封裝的FMMT491TA型NPN晶體管。Q3選用60V、1A、采用SOT-23封裝的FMMT591TA型PNP晶體管。
偏置電源中Q26、Q17選用40V、0.2A、采用SOT-23封裝的NPN型小信號晶體管MMBT3904LT1G，Q27選用80V、0.5A，采用SOT-89封裝的BST52TA型NPN晶體管。
2.3 鐵氧體磁珠
鐵氧體磁珠L6、L7尺寸為3.5mm×4.45mm，68Ω（ @100KHz），孔洞22AWG（美國線規(guī)，孔洞直徑φ0.63mm）。
鐵氧體磁珠1~4，尺寸為φ3.5mm×3.25mm（長），21Ω（@25MHz），孔洞φ1.6mm。
2.4 PFC電感器L4
 
PFC升壓電感器L4采用PQ32/20磁心和12引腳配套骨架，電氣圖和構造圖分別如圖2和圖3所示。在圖3中，引腳1與6之間的主繞組用作PFC升壓電感器，引腳8與7之間的繞組為偏置繞組。
具體的L4結構如表1所示。
表1 PFC電感器L4繞組結構
注：L4主繞組（引腳1~6）電感量在100KHz和0.4V時是580μH（±10%）
2.5 LLC變壓器T1
LLC變壓器T1選用ETD39磁心和18引腳骨架，電氣圖和構造圖分別如圖4和圖5所示。
T1電氣特性如表2所示。
表2 LLC變壓器電氣參數(shù)
表3列示了T1的繞組結構。
表3 LLC變壓器繞組結構
3、150W LED路燈電源性能
圖1所示的150W LED路燈電源，AC輸入電壓范圍是140~265VAC，DC輸出是48V/3.125A。其它主要性能如下。
3.1 AC輸入電流諧波
LED路燈電源的AC輸入電流諧波滿足IEC61000-3-2標準限量要求。圖6為在滿載和半載（50%負載）下AC輸入電流總諧波失真（THD）與AC輸入電壓的關系曲線。由圖6可知，在滿載下，THD<7.5%，在200VAC時的THD=2%。
3.2 線路功率因數(shù)
由于LED路燈離線（off-line）電源帶有功率因數(shù)校正，滿載下的線路功率因數(shù) PF>0.965；在140~220VAC范圍內，PF≥0.98，如圖7所示。
3.3 電源效率
在滿載時，PFC級效率PFC> 95%（@140VAC），LLC級效率LLC>95%，系統(tǒng)總效率total>92%（@200~265VAC）。
圖8為在不同負載上系統(tǒng)效率與AC輸入電壓的關系。
3.4 EMI與安全性
LED路燈電源傳導EMI符合CISPR22B/EN55022B規(guī)范要求，安全性滿足IEC950/UL1950 II類要求。
4、小結
目前LED路燈尚處在開發(fā)期，還有許多技術問題有待于解決。就LED路燈電源來說，如果使用交流市電電源供電，必須采用功率因數(shù)校正。采用PFC/LLC控制器PLC810PG的150W LED路燈電源，為設計高性能離線LED路燈電源提供了一種具有指導性和實用性的解決方案。 |
