一种大功率LED照明电源解决方案

摘要：介绍采用PFC控制器CM6807和谐振半桥控制器CM6900的350W高效(>90％)高功率因数(>0．95)LED照明电源解决方案。该方案适用于直至1kW的电源供应器，可用于LED照明、LED路灯、大型LED看板和大功率体育场馆照明等。
关键词：CM6807／CM6900；PFC／LLC控制器；同步整流；大功率LED电源

    美国“能源之星”等规范要求在任何功率电平上的离线式(off-line)LED照明电源具有高功率因数和高能效。对于普通照明用低功率LED驱动电源，采用基于专用控制器IC的单级功率因数校正(PFC)反激式电路拓扑是最基本的解决方案。这种拓扑结构的特点是只使用一个功率开关，无需使用高压电解电容器。对于100～200W的LED照明电源，人们通常采用PFC+反激式两段式电路架构。这种拓扑结构的特点是PFC升压变换器被置于反激式转换器的前端，PFC与反激式转换器各使用一个功率开关。而对于200W以上的大功率LED照明电源供应器，上述两种拓扑结构并不适用。行之有效的解决方案是选择PFC与其电感—电感—电容(LLC)相结合的电路架构。为了实现高效率，主变压器二次侧可以采用同步整流方案。在这里介绍一种采用这种方案的350W LED照明电源设计实例，以供读者参考。

1 系统技术规格与基本架构
1．1 350W LED驱动电源技术规格
    (1)输入规格
    AC输入电压：85～264 Vac；
    AC最大输入电流：5A；
    线路功率因数PF：>0．95(230Vac，满载)；
    AC电源频率：47～63Hz；
    效率：>92％(230Vac，满载)；
    工作温度：50℃；
    工作环境：密闭；
    散热方式：无风扇自然冷却。
    (2)输出规格
    输出电压Uo：36～40V；
    输出电流Io：5～10A；
    电压纹波：≤0．3V；
    电流纹波：<0．1A；
    控制模式：恒定电压／恒定电流。
1．2 系统组成方框图
    350W LED照明电源主要由EMI滤波器、基于连续导电模式(CCM)功率因数控制器CM6807的PFC升压变换器、基于CM6900的LLC谐振半桥变换器及同步整流器等部分组成，图1为其基本架构方框图。

2 实际电路
    基于CM6807和CM6900的350W LED照明电源电路如图2所示。我们对系统中各个单元电路作简要介绍。

2．1 PFC升压变换器与辅助电源
    350W LED照明电源的PFC升压变换器与辅助电源电路如图2(a)所示。
    (1)输入级电路
    输入级电路由EMI滤波器和桥式整流器组成。在图2(a)中，电容C3、C4、C5和C11～C14及电感元件T1、T2等，构成输入EMI滤波器；BR1为桥式整流器；FU1为保险丝；RT1为NTC热敏电阻。EMI滤波器被用作限制和衰减共模与差模噪声，RT1用作限制系统启动时因对大电容C7充电引起的浪涌电流。
    (2)有源PFC升压变换器
    功率因数控制器U1(CM6807)、功率开关VT2、升压电感器L1、升压二极管VD3、输入电容C9／C10、输出电容C7、电流传感电阻R4等，组成DC／DC有源PFC升压变换器。PFC级电路工作在连续模式。输入电流经R5、R8和R13通过U1引脚②检测。输出DC总线电压(395V)经分压器R7、R10、R12和R13采样，馈送至U1引脚FB。U1的引脚④为电压误差放大器输出，C17、C18和C21为补偿网络。通过PFC级的电流被R4感测，并经R11和C20由U1引脚③来检测。U1引脚⑨上的驱动输出推动VT1／VT3和VT2。PFC升压变换器的作用是在桥式整流器BR1的输入端产生一个与AC输入电压趋于同相位的正弦电流，能够满足IEC61000-3-2标准规定的谐波电流限制要求，系统功率因数远高于0．95，并且在85～264V的AC输入电压范围内能够输出一个395V的稳定DC电压。
    (3)启动电路与偏置电源
    R5、R8、R6、R9、VT4、VD4和C16等，组成U1引脚⑧上的肩动电路，U1一旦启动，PFC进入操作状态，U1引脚③则由L1引脚③与④之间的辅助绕组、C1和C2、VD1和VD2、R15、VZ1、VT5及C16等组成的偏置电源供电。
2．2 LLC半桥谐振功率级
    LLC半桥谐振功率级电路如图2(b)所示。该功率级主电路由图2 (c)所示的控制电路来控制。在图2 (b)中，功率开关VT6、VT8、电容C23、电感L3以及变压器T3引脚③与引脚⑥之间的初级电感组成半桥LLC串联谐振电路。T3二次侧上的VT7和VT9组成同步整流器电路，可使LLC谐振半桥变换器的工作效率达96％以上，比传统LLC谐振半桥功率级的效率提高4％～5％。

    C25／C26、L4和C27／C28构成LC滤波电路，可以保证DC输出电压纹波小于300mV。R23为输出电流感测电阻。电源的DC输出可以驱动350W的LED模块或阵列。
2．3 基于CM6900的恒压／恒流(CV／CC)控制电路
    采用CM6900作半桥谐振控制器的CV／CC控制电路见图2 (c)。
    (1)偏置电源
    图2(a)中L1引脚⑤与⑥之间的辅助绕组，与图2(c)中的C29／C30、VD7／VD8、VZ2、VT14、R27和C31等，组成输出12V的稳压电源，为U2(CM6900)和运放U3(LM358)等提供偏置。
    (2)控制与驱动电路
    在图2(c)中，U2引脚⑨外部的R32和C38设定振荡器频率。LED驱动电源的输出电压(+40V)经电阻分压器R26、R27和PR1取样，反馈到U2的引脚②，以执行输出电压调节。流经输出电流感测电阻R23[见图2(b)]的电流经U3B放大150倍，并经R42和R48分压后，由U3A作缓冲器加入到输出电压的反馈回路，使输出电流被控制在恒定值。VT19的门极与地之间连接一个开关S。当S关断时，VT19导通，U3B的输出被R42和R48、R46分压至2．5V，使LED驱动电源输出10A的最大恒流。当S接通时，VT19截止，U3B输出被R42和R48分压至1．25V，LED驱动电源输出电流则为5A。
    U2引脚上的输出，通过晶体管VT10／VT11和VT12／VT13来驱动变压器T4。T4的二次绕组输出驱动图2(b)半桥中的VT6／VT8。U2的引脚上的输出，通过VT14／VT15和VT16／VT18来驱动图2(b)中的同步整流器VT7和VT9。

3 结束语
    采用CCM功率因数控制器CM6807和谐振半桥控制器CM6900的350W LED电源供应器，同时采用同步整流方案，可以提供CV／CC控制，实现高于0．95的功率因数和高于90％的效率。该设计方案适用于100～1000W的电源供应器，可应用于LED照明、LED路灯、大型LED看板以及体育场馆LED照明等。