大功率LED驅(qū)動電源的設計與調(diào)試

王天昊, 蘭春光

(1.天津大學 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072； 2.北京市建筑工程研究院有限責任公司, 北京 100039)

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大功率LED驅(qū)動電源的設計與調(diào)試

王天昊1, 蘭春光2

(1.天津大學 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072； 2.北京市建筑工程研究院有限責任公司, 北京 100039)

針對發(fā)光二極管的電氣特性及其驅(qū)動電源的要求，設計了一種電流型大功率LED驅(qū)動電路。從實際應用的角度出發(fā)，較為詳細地介紹了NCP1653A校正電路以及NCP1693A控制電路的工作原理和參數(shù)選擇方法。運用PSIM軟件建立驅(qū)動電路的模型，并在平均電流控制模式下對其進行模擬仿真。根據(jù)繪制的PCB圖，制作并調(diào)試驅(qū)動電源板。結(jié)果表明：針對200 W以上的LED，該電路可以有效地提升功率因數(shù)，抑制對電網(wǎng)造成的波動，較為穩(wěn)定地提供輸出電壓。

驅(qū)動電源； 大功率； LED； 功率因數(shù)； 輸出電壓

0 引 言

迄今為止，全球照明所消耗的電能占據(jù)全球能源消耗的19%[1]，是能源消耗中不容忽視的一部分。眾所周知，電能大多是由煤炭、石油、天然氣等不可再生資源轉(zhuǎn)化而成，因此，如何提高照明光源的效率，降低其能耗，對不可再生資源的保護來說意義深遠。

發(fā)光二極管(Light emitting diode, LED)作為繼白熾燈、熒光燈和氣體放電燈之后所研制出的第四代光源。因其具備高效節(jié)能、超長壽命、光線健康、綠色環(huán)保、安全系數(shù)高、響應時間短等顯著優(yōu)點[2]，被廣泛用于居民生活和工業(yè)生產(chǎn)中。也正是由于上述優(yōu)點，才使得對其驅(qū)動電源的壽命、功率因數(shù)、諧波含量以及工作效率等性能指標要求越來越高[3]。從市場調(diào)研結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，目前小功率LED驅(qū)動設備的產(chǎn)品種類較多，而與大功率配套的驅(qū)動電源少之又少。為此，從性能指標和市場需求兩方面綜合考慮，筆者提出一種電流型大功率LED驅(qū)動電路的設計方法,介紹NCP1653A校正電路以及NCP1693A控制電路的工作原理和參數(shù)選擇，運用PSIM(Power simulation)軟件建立驅(qū)動電路的模型，并在平均電流控制模式下對其進行模擬仿真。

1 NCP1653A的校正電路

1.1 NCP1653A的工作原理

功率因數(shù)校正技術(shù)是通過調(diào)整輸入電流的相位，使得輸入的電流和電壓達到相位上的相同，從而實現(xiàn)功率因數(shù)的提高。NCP1653A芯片是一款升壓型功率因數(shù)校正芯片，既可以工作在不連續(xù)導電模式下，又能工作在臨界導電模式，其運行高頻工作狀態(tài)并有固定開關(guān)頻率隨動方式或者恒定輸出電壓方式[4]。

圖1 BOOST變換器的等效電路

圖1是BOOST變換器的等效電路。電路的輸入電壓Uin50 Hz是工頻交流電經(jīng)過整流橋之后的波形，MOSFET的開關(guān)頻率是芯片工作頻率為67 kHz，因此電感電流IL基本是由高頻和低頻信號組成。通過使用小容量電容，實現(xiàn)對電感電流的高頻濾波。同時，電容值太大會影響電壓波形，從而影響功率因數(shù)。

1.2 APFC電路的參數(shù)設計

圖2是BOOST APFC電路原理?；谝陨想娐吩恚鶕?jù)大功率LED驅(qū)動電源對主電路的需求，計算主電路各設計參數(shù)如下：

(1)升壓電感器電感值：電感器的峰峰值紋波電流通常為交流線路電流最大幅值的10%～50%，文中選擇30%電感值為1.76 mH。

(2)輸出濾波電容為10 μF/450 V鋁電解電容。

(3)功率器件MOSFET包括KBL608整流橋、快速二極管RHR1510、STP20NM50FP開關(guān)管。

(4)芯片1腳上的電壓為Ufb為2 V，設計三個反饋電阻(R5、R6、R7)分別為680，680和630 kΩ，開關(guān)噪音控制電容C8選擇為1 nF。

(5)2腳上與內(nèi)部300 kΩ的電阻設置調(diào)節(jié)脈寬，為有效抑制1 000 Hz的波紋，選擇C9為100 nF。

(6)腳3和腳4為芯片輸入電壓檢測元件，其基本參數(shù)如下：R1、R2分別為9.1 MΩ和910 kΩ，C6和C7為1和60 nF。

(7)電流檢測元件：R4的功率消耗應該不超過輸出功率的0.5%，這里選擇為R4=0.577 67 Ω，R3=5.36 kΩ。

(8)芯片5腳外部電阻R9和電容C10為113 kΩ和500 pF。

(9)濾波電容用來濾除高頻成分，電容值的選擇不能太大，否則會對輸入的正弦電壓有影響，影響功率因數(shù)，這里選為100 nF。

圖2 BOOST APFC 電路原理

2 NCP1396A的控制電路

2.1 NCP1396A的應用電路與工作原理

圖3為NCP1396A的應用電路。NCP1396A是一款共振模式的電源管理芯片，內(nèi)部具有500 kHz高頻晶振，支持50 Hz～500 kHz的高頻工作。芯片具有可調(diào)死區(qū)時間，可選擇頻率范圍，過溫保護，輸入鎖存，電壓欠壓保護，反饋回路保護，軟開關(guān)啟動，熱關(guān)斷等特點，有SO-16或者DIP-16封裝。該芯片有16個引腳:(1)Css軟啟動引腳;(2)fmax最高頻率設置引腳;(3)Ctimer時間延遲引腳;(4)Rt定時電阻設定;(5)BO低壓檢測引腳;(6)FB反饋輸入引腳;(7)DT死區(qū)時間寬度調(diào)整;(8)Fast Fault快速檢測引腳;(9)Slow Fault延遲檢測引腳;(10)Gnd接地引腳;(11)Mlower低邊MOS管驅(qū)動輸出引腳;(12)Ucc供電引腳;(13)NC空腳;(14)HB半橋連接引腳;(15)Mupper高管驅(qū)動;(16)Uboot自舉升壓引腳。

圖3 NCP1396A的應用電路

2.2 LLC電路參數(shù)

NCP1396芯片的電路以諧振電容CY和諧振電感Lr、Lm為主，構(gòu)成LLC半橋諧振的DC-DC變換器，其簡易連接如圖4所示。

圖4 控制電路外圍引腳

變壓器的設計采用的是集成式變壓器，使用單個磁芯。諧振電感采用外界單獨的電感。通過面積法計算變壓器磁芯，需同時滿足電流要求，因此初級繞組為48 T，二次側(cè)次級繞組8 T。由于需要通過高頻電流，所以選用0.1 mm×100股的紗包線來繞制。這種紗包線可以減少信號中的干擾，在非正常工作狀態(tài)下可以傳輸高頻信號使用。在實際應用中，由于控制漏感的誤差在12%范圍內(nèi)都可以使用，因而不考慮控制漏感。

開關(guān)管的選擇可以承受的最大電壓為功率校正后輸出電壓400 V，最大電流是諧振電路所能承受的最大電流，故采用STP12NM60FP。

變換器參數(shù)的計算要求輸出功率為200 W，輸出電壓為36 V，工作頻率在100 kHz左右，變壓器匝數(shù)比約為6，品質(zhì)因數(shù)Q取值0.43。按照以上要求，采用相關(guān)公式得到諧振電容Cr和漏磁電感Lr分別為19.6 nF(實際電路中取22 nF)、129.24 nF。

3 大功率LED驅(qū)動電源的調(diào)試

3.1 PSIM仿真與結(jié)果分析

根據(jù)前面所計算的設計參數(shù)，采用PSIM(Power Simulation)軟件搭建模型，如圖5所示，進行平均電流控制模式電路的模擬仿真[5]。

圖5 設計電路模型搭建

控制電路主要包括：乘法器、電流誤差放大器、電壓誤差放大器、電壓傳感器、電流傳感器、限幅器和鋸齒波震蕩器。工作原理：首先，BOOST電路的輸出電壓與預期電壓進行比較，輸入電壓誤差放大器。然后，輸入電壓和放大器輸出電壓通過乘法器形成電流反饋信號，再與通過電感的電流進行比較后，輸送至電流誤差放大器。最后，通過電流誤差放大器的輸出信號送至PWM的驅(qū)動器，以控制MOSFET的通斷。圖6為通過PSIM模擬設計電路的仿真結(jié)果。

圖6 輸入電壓、輸出電壓、輸入電流的波形

Fig. 6 Wave form of input voltage, output voltage and input current

從圖6可以看出，電路進行功率校正后，輸入的電流波形與輸入電壓波形相位相同的正弦波，電路的功率可達95%以上；且電流的總諧波畸變因數(shù)可以控制在一個較小的范圍內(nèi)。當輸出電壓穩(wěn)定后，電壓可以維持不變。通過功率因數(shù)校正電路后，輸入交流的電壓與流過電感的電流具有一致的相位，整流后的電壓與電流也有相同的相位。因此，可以使功率因數(shù)得到極大的提高，仿真結(jié)果表明功率因數(shù)在電壓穩(wěn)定時可以達到0.8以上，同時也會減小電流諧波，以減少裝置對電網(wǎng)造成的波動。

3.2 PCB繪制與驅(qū)動電源的調(diào)試

利用Altiumdesinger繪制出PCB圖，最終制作出成型的PCB電路板。由于原理圖到繪制PCB圖應注意兩個問題[6]，一是正確的設置參數(shù)；二是要選擇導線的長度和寬度，以及導線間的距離。導線過長，其內(nèi)部會產(chǎn)生電感，影響電網(wǎng)的性能；導線需要足夠?qū)?，以承受流過它的最大電流；導線間的間距需要足夠大，以滿足可以承受的最大電壓。

采用NCP1653A校正電路的設計參數(shù)和LLC電路的設計參數(shù)，實際制作了一款200 W大功率LED驅(qū)動電源，并成功點亮了LED，如圖7所示。通過控制LLC諧振電路的上下開關(guān)管的導通頻率，實現(xiàn)向LED提供穩(wěn)定的輸出電壓。通過增加點亮的LED數(shù)量作為負荷的增大，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在允許范圍內(nèi)增加LED的數(shù)量不影響LED的發(fā)光情況，說明電路可以提供穩(wěn)定的電壓支持。

圖7 驅(qū)動電源的調(diào)試

4 結(jié)束語

電流型大功率LED驅(qū)動電路可以穩(wěn)定提供輸出電壓。利用PSIM軟件的電路模擬仿真功能，設計并驗證設計的電路的可行性與合理性。設計的電路通過閉環(huán)控制有效地為直流設備提供穩(wěn)定的電壓輸出，不受負載數(shù)量的影響。同時，設計的整流電路中增加的功率校正電路，能有效地提高電路的功率因數(shù)減少電能損耗與諧波干擾。根據(jù)設計參數(shù)實際制作了驅(qū)動電源，驗證了該理論正確可行。

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[2] 宋賢杰, 屠其非, 周 偉, 等. 高亮度發(fā)光二極管及其在照明領域中的應用[J]. 半導體光電, 2002(5): 356-360.

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Design and test for driving power supply of high-power LED

WangTianhao1,LanChunguang2

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education， Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Beijing Construction Engineering Research Institute Co. Ltd., Beijing 100039, China)

This paper is focused specifically on a current-source, high-power LED driver circuit tailored for the electrical characteristics of light emitting diode and its requirement for power supply. The paper starts from the perspective of practical application and presents a more detailed introduction to both the working principle and parameter selection method behind the NCP1653A circuit correction and the NCP1693A circuit control. The study works towards developing the driving circuit model using the power simulation (PSIM) software, together with the subsequent simulation under the average control current mode; and making the circuit board according to the PCB figure. The results show that, when it comes to an LED above 200 W, the circuit enables an effective improvement in the power factor, thus restraining the fluctuation to power grid and affording a more stable supply of output voltage.

driving power supply; high power; LED; power factor; output voltage

2016-08-08

國家自然科學基金項目(51408030)

王天昊(1993-)，男，黑龍江省哈爾濱人，碩士，研究方向：電力電子與電網(wǎng)仿真，E-mail：wangtianhao@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.020

TN34

2095-7262(2016)05-0569-04

A