一种100 W LED路灯驱动电源设计

摘要：设计了一种恒流型100 W LED路灯驱动电源。该电源采用反激拓扑，输入220V／50 Hz的交流电，能够实现稳定的恒流输出，开路状态下具有限压保护功能。与传统的LED驱动电源相比，该电源兼顾了高效率和功率因数，同时简化了电路结构，降低了成本。在此对该驱动电源的电路进行简要介绍，分析了恒流原理，同时阐述了变压器的设计方法，最后搭建的样机满载效率达到87．5％，功率因数达到0．9以上，带灯后恒流输出在3 A，电流纹波小于50 mA。
关键词：电源；反激变换器；恒流

1 引言
    LED路灯是半导体照明最终进入千家万户的功能性照明的第一步，其优点是省电、安全、环保、方向性强、长寿命、易维护、易控制等。用LED路灯代替传统路灯，1盏每年可节电1 000 kW·h。近来，我国在硅基LED材料生长与芯片制造技术上取得了重大突破，从源头上避开了目前国际主流的LED照明技术(蓝宝石衬底LED照明技术和碳化硅衬底LED照明技术)的专利制约，开辟出一条硅基氮化镓LED照明新技术路线，这必将大幅降低LED的成本，进一步推动大功率LED路灯的推广。
    目前的LED驱动电路主要有线性稳压源、开关稳压源、开关恒流源。线性稳压源的优点是电路简单，成本很低，缺点是效率低、温升高、体积大；开关稳压源优点是体积小、效率高、稳压范围宽，缺点是亮度不稳定，对元器件要求高；开关恒流源的优点是效率高、体积小、LED亮度稳定，缺点是对元器件要求高，LED大规模并联亮度不一致。开关恒流源又主要分为反激电源和谐振电源，谐振电源效率相对较高，但成本也较大。作为路灯照明．要求驱动适应恶劣环境，稳定性高，电路简单，同时灯应无闪烁。因为路灯功率一般较大，整体亮度很高，对LED并联串的亮度一致性要求不高。同时路灯照明对效率和成本要求较高，鉴于谐振电源相对反激电源效率提升有限，采用反激结构的开关恒流源不失为100 W功率级LED路灯驱动的最佳选择。
    在此设计了一款结构简单，性能优良的100WLED路灯驱动电源，采用反激拓扑，实现了稳定的恒流输出，具有良好的过流、欠压及过温保护功能，同时兼顾了高效率和较高功率因数校正值。

2 系统结构
    为了减少电网谐波，传统大功率LED驱动电源一般由APFC+DC／DC变换器构成，通常这样的两级结构效率不超过85％，同时成本也会增加。文中LED驱动采用无源PFC反激变换拓扑，系统结构如图1所示。

    EMI滤波采用标准的电感电容连接方式，抑制交流电网的高频干扰和电源对交流电网的干扰。PFC部分采用填谷式无源PFC电路，这种电路结构简单，能够实现较高的功率因数，缺点是输出电压波动较大，但由于后面接DC／DC电路，所以该缺点对此驱动电源无影响。PFC电路输出的能量经高频变压器传递给次级电路，高频变压器是驱动电源设计的关键，其设计将在后面详细讲解。功率MOSFET的选取是另一个关键，需考虑功率管的耐压及变压器初级电流，一般功率管的额定电流选为初级电流有效值的十倍，以保证足够的余量。同时导通电阻要低，防止导通损耗过大。
    该LED驱动采用通用的电流模式PWM控制器UC3843A作为主控芯片，该集成电路具有可微调的振荡器、高增益误差放大器，能进行精确的占空比控制，同时具有多重保护功能，采用大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。主拓扑采用反激变换拓扑，通过控制开关管的开断，将变压器储存的能量传送到负载和输出滤波电容。次级采用集成电路TSM101将电压和电流采样信号与内部的基准进行比较，比较后的信号通过光耦反馈给初级的PWM控制器进行脉宽调节以保证该LED驱动电源恒流输出。当恒流输出失效时，能够实现恒压输出，保护负载。

3 设计原理
3．1 反激变换原理
    该设计采用图2所示的反激变换拓扑，其工作原理是：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，以补偿电容提供负载电流时消耗的能量。令Lp为变压器初级励磁电感，Ton为开关管导通时间，Udc为整流后的直流电压，开关管开通结束时，初级电流ip=UdcTon／Lp，此时变压器储存的能量E=Lpip2／2。当开关管关断时，如果变压器次级电流能够降为零，则为不连续导通模式(DCM)，变压器储存的能量全部传递到次级：如果变压器次级电流不能降为零，则为连续导通模式(CCM)，该设计满载下采用CCM。

3．2 变压器设计
    变压器的设计是驱动电源设计的关键，首先取整流桥后的低频纹波为20 V，则最低输入直流电压。设Uo为设计要求的输出直流电压，f为功率管开关频率，Ac为磁芯截面积，根据变压器磁芯的伏秒数守恒可得：

    一般取Bmax=0．2 T，得到Np，联合式(2)，得到Ns。定义CCM下的连续深度K=0．6，即斜坡电流与峰值电流的比值，一个周期电流的平均值为：

    由上述得到初、次级电流有效值，以此来确定初、次级线圈的线径。初级励磁电感Lp=UminTon／(KIp)，根据安培环路定理有：
   
    式中：μ0为空气的磁导率；μ为磁芯磁导率；γ为磁芯长度；δ为气隙长度。
   
    至此实现了高频变压器的设计。
3．3 恒流设计
    该驱动电路的恒流控制是由TSM101C作为主控芯片来实现的。TSM101C包含1．2 V的带隙电压基准源、两个集成运放以及一个电流源，分别将环路电压采样和电流采样信号与内部的参考值进行比较，通过误差放大器输出一个反馈信号，经过光耦传递给初级的PWM控制器UC3843 A，控制开关管的导通时间，进而实现了精确的电压调节和电流限制。补偿网络必须精巧设计以保证系统有较快的动态响应速度，同时不出现振荡。

4 样机制作与实验结果
    样机设计要求：①应用于100 W(10x10)的灯具：②输入电压范围150 V≤μac≤250 V：③输出恒定电流为3 A；④最大输出电压为38 V；⑤效率η≥85％；⑥输出电流纹波△io≤100mA。
    按照以上设计要求，制作了一台样机，其中，Np=76，Ns=19，合理地选择线径使初级能承受1 A电流，次级能承受4 A电流，Lp=800 μH，磁材为TDK PC40，尺寸EI40，Ae=144 mm2。功率MOSFET管型号选为TSF12N60M。初级侧振荡器R1=10 kΩ，C1=4．7 nF，功率管开关频率38 kHz，次级侧电流检测电阻R10=0．1 Ω，2 W的功率电阻，确保电流恒定在3A。

    对样机测试，满足了当初的设计要求。样机在空载和轻载时保持了良好的输出恒压特性，恒压在38 V。在带100 W灯负载时，输出稳定的3 A恒流如图3a所示。灯上压降为32 V，输出电压、电流波形的高频毛刺很小，如图3b所示，样机工作在深度恒流区。在额定恒流3 A输出时，η一度超过87．5％，达到了设计要求。带灯测试如图3c所示，在输入电压宽范围变化时，都保持了较高的转化效率，大于85％。

5 结论与展望
    设计了一款针对100 W LED路灯的驱动电源，采用基于UC3843A的反激拓扑，输入端采用无源PFC，兼顾了效率、功率因数及成本，220 V／50 Hz市电输入，实现稳定的恒流输出，实验样机接灯后灯无闪烁，达到了最初的设计目标。在大力推广LED城市亮化工程，倡导节能环保的今天，该驱动电源具有很大的应用前景。随着当前对电源体积及效率的要求越来越高，需要进一步提高开关频率，增加能量密度，这需要改进变压器及驱动电路的设计，由于增加开关频率会增加功率MOSFET的导通损耗，所以需要引入软开关技术，这有待后续做进一步研究。