LED路灯驱动电源设计
LED路灯驱动电源设计
摘要：
目前LED路灯驱动电源存在着输出功率低、转换效率差、功率因数不高、抗浪涌能力差、输出特性不稳定及可靠性差等问题，严重制约了LED路灯的推广使用，本文针对以上问题完成了LED路灯驱动电源的设计与优化。首先根据用户提出的技术指标，提出了采用隔离变压器、PFC控制实现开关电源，输出恒压恒流的电压的驱动电源总体设计方案。在参数设计中，采用EMI滤波电路防止电网上的谐波干扰串入模块；PWM控制电路采用电压电流双环控制；反馈网络采用恒流恒压器件TSM101和比较器，反馈信号通过光耦送给PFC器L6561。在此基础上，研究了驱动电源的热分布和电磁兼容性问题，并进行了优化，提高了驱动电源的可靠性。
关键词：LED；功率因素校正；驱动电源；PWM
1 引言
照明是人类消耗能源的一个重要方面，据研究统计，若使用固态LED光源代替传统的白炽灯和荧光灯照明，将节约全球照明能耗的50%以上，有助于缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题。城市道路照明是重要的LED应用领域，LED 路灯照明装置能否实际应用推广的关键因素之一是其驱动电源的优劣。LED路灯驱动电源需要较高的输出功率，工作环境较为复杂，要求有较高的电磁兼容性，且由于LED本身的寿命很长，驱动电源的可靠性也被要求与之匹配。现阶段，市场上的LED路灯驱动电源大多无法满足以上要求。针对这个问题，设计恒压恒流驱动电源，以满足LED路灯的实际应用条件。
2 工作原理
本设计采用隔离变压器、PFC控制实现的开关电源，输出恒压恒流的电压，驱动LED路灯。
LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。LED路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启甩和雷
击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED 的损坏。因此LED 驱动电源应具有抑制浪涌侵入，保护LED 不被损坏的能力。EMI 滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块，影响控制电路的正常工作。
三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。主开关DC/AC 电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC 滤波和EMI 滤波，输出LED 路灯需要的直流电源。
PWM 控制电路采用电压电流双环控制，以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件TSM101和比较器，反馈信号通过光耦送给PFC 器L6561。由于使用了PFC 器件使模块的功率因数达到0.98。
驱动电源的工作原理如图1所示：
防浪涌工频整流DC/AC 高步逆变高频整流LC 滤波EMI
滤波EMI 滤波
PFC 功率
因数校正反馈网络
市电输出
图1 模块工作原理图
PWM 脉宽
调制
3 DC/DC 变换器
DC/DC 变换器的类型有多种，为了保证用电安全，本设计方案选为隔离式。隔离式DC/DC 变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中，半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合，其激励电路复杂，实现起来较困难；而正激式和反激式电路则简单易行，但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化的情况，且本电源系统中PFC 输出电压会发生较大的变化，故DC/DC 变换采用反激方式，有利于确保输出电压稳定不变。
单端反激式变换器具有使用元器件少、本身固有频率比较高的特点，适合功率低于150W的应用，该变换器是Boost-Buck变换器的变形，同时具有隔离和变压的作用。在反激式拓扑中，由变压器作为储能元件。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，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。
单端反激式变换器有两种不同的工作模式，分别是连续工作模式(CCM)和断续工作模式(DCM)。在CCM下，变压器电流连续，电流峰值较小，输出电压纹波较小；但整流二极管强行关断会引起较大损耗，并产生一定的电磁串扰，其适合于功率较大的场合。在DCM下，整流二极管自然关断，其损耗较小；但变压器电流断续，电流峰值较大，输出的纹波较大，其适合于功率较小的场合。本驱动电源输出功率较高，因此采用CCM模式。
单端反激DC/DC变换器的变压器承担着储能、变压和传递能量等工作，是决定电路性能的关键元件。
4 恒流、恒压原理
本设计使用恒流恒压控制器件TSM101调节输出电压和电流，使之稳定。通过TSM101的控制作用，保证了电源恒流(CC)和恒压(CV)工作。隔离变压器经过双二极管和电解电容器滤波的电压，再经电感和电容滤波后的输出为电源模块的输出电压，直接加在LED路灯上。两个可调电阻器分别调节输出电压和电流的大小。采样电阻分别对电源输出的电压和电流进行采样。TMS101的输出TOUT 通过光电耦合器、可控硅和三极管等电路送到L6561的引脚5，通过反馈电路实现恒流控制。
输出端的采样电阻两端的电压信号送到比较器LM258，通过与预设电压进行比较，产生电压反馈信号DOUT。
5 PFC校正
本设计采用最常见的有源功率因数校正的控制器件L6561。由变压器自身组成的绕组，通过电阻将电感电流过零信号传输至L6561器件，同时比较器LM258
产生的信号DOUT通过光耦、三极管、可控硅等传输至L6561器件，以检测输出电流。L6561器件会将检测到的信号与器件内部产生的电感电流信号相比较，来确定何时关断MOS管。电流检测电阻采样MOS管电流，该电阻一端接于系统地，另一端同时在MOS管的源极和L6561器件。L6561器件内部乘法器的一个输入端，该引脚与整流桥电路输出电压相连，确定输入电压的波形与相位，用以生成器件内部的电感电流参考信号。
L6561器件内部乘法器的另一个输入端，同时为电压误差放大器的输出端。恒流恒压器件的输出TOUT通过光耦将电压反馈传送到L6561器件，形成输出电压的负反馈回路。由电阻和电容与器件相连，用于形成电压环的补偿网络。
6 驱动电源散热与电磁兼容设计
在设计的开关电源中使用了很多功率开关器件，因此在完成电路设计后必须解决散热问题和电磁兼容问题。根据本驱动电源实际工作要求对电路布局、内部介质、外壳结构进行了综合热设计，同时分析开关电源的电磁兼容性，并进行了优化。
6.1开关电源的热设计
开关电源的热设计主要包括三部分：电路布局、内部介质和外壳。开关电源由多个热源组成，因此必须对板上发热器件进行合理布局。在不影响电路性能的情况下，主要发热部件应尽量分散，并且靠近电路板边缘。在开关电源内热量主要以传导方式由内部器件传到电源盒外壳，再以对流换热的方式散发到空气中。电源盒内部温度梯度与内部介质的导热系数成反比关系，为减小盒内温度梯度，本设计在电源盒内采取灌胶的方式来增大内部介质的导热系数。
外壳的结构设计是指对电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计。实际工作环境要求电源盒的长宽高分别不大于215mm、70mm和56mm。电路板上最高的器件是变压器，因其高度的限制，电源外壳的高度不能小于48mm。为减少多热源温度场耦合，要尽量保持热源之间的距离。
6.2 开关电源的电磁兼容设计
在开关电源中，开关管和变压器是产生电磁干扰的主要器件，其电磁干扰以传导干扰为主。为抑制传导干扰，本设计在电路输入端增加EMI滤波器低通网络，并在变压器原边并联RCD缓冲器。
为了抑制开关管在关断瞬间产生的电压尖峰，本设计采用RCD缓冲电路并联在变压器原边绕组上，以吸收漏感中的能量。
经实验测量，RCD电路电阻上消耗的功率约为2W，在实际应用中采用三只47kΩ的电阻相并联，以降低单只功率电阻的温升，提高可靠性。
7 驱动电源的PCB设计与测试
在完成开关电源设计的基础上，本设计进行了各种相关实验测试。综合考虑设计过程，对设计的开关电源进行了经济效益分析，讨论了其在实际产品应用中所具有的优势。
7.1 电源的PCB设计
在PCB布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。
在进行PCB布线过程中遵守以下原则：
(1) 尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；
(2) 为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；
(3) 合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm；
(4) PCB的地线和电源输出线应尽可能采用较宽的线。
合理选择接地方式是是抑制干扰的重要方法。低频电路中接地电路形成的环流对电路干扰较大，因而采用单点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线
阻抗变得很大，采用就近多点接地来降低地线阻抗。当工作频率在1~10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。本驱动电源在PCB设计时，采用了两级控制电路分别就近单点接地的方式。
7.2实验测试
在驱动电源的设计过程中，对开关电源进行了各种相关的实验测试。
LED路灯驱动电源效率测试结果
输入电压(VAC) 负载状态输出功率(W) 输入功率(W) 效率（%）176VAC 满载100.5 120.44 83.44 220VAC 满载101.2 120.08 84.28 260VAC 满载101.2 119.12 84.95
8 经济效益分析
本设计所采用的元器件较多，由市场价可知，单个开关电源的价格较高，这主要是由于在设计中为保证可靠性和稳定性，选用了大量性能较高的元器件，并全部采用降额设计。当驱动电源的可靠性增加、使用寿命延长时，可以降低灯具的维修成本；保证驱动电源输出特性的稳定，就可以提高产品的一致性和成品率，从而减少人力物力的浪费，降低生产成本；稳定的输出还会降低LED的光衰，延长LED本身的使用寿命。因此，虽然本设计的单价较高，但由于减小了其它多个方面的损失，可以达到较高的综合性价比。
结论
本设计采用有源PFC功能电路设计的室外LED路灯电源，内置完整的EMC 电路和高效防雷电路，符合安规和电磁兼容的要求。采用电压环反馈，限压恒流，效率高，恒流准，范围宽，实现了宽输入，稳压恒流输出，避免了LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。整机元件较少，
电路简单,功率因数达0.98。根据用户需求可在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。
本文的主要研究成果如下：
(1) 针对目前LED路灯驱动电源存在的问题和缺陷，提出了采用PFC和反激式变换的两级控制方案。
(2) 完成了对LED路灯驱动电源硬件电路的参数设计。
(3) 针对本文设计的LED驱动电源，研究了它存在的热问题和电磁兼容性问题，完成了电源的PCB设计。
(4) 对系统进行了实验测试，测试结果表明该电源完全满足性能指标的要求。
参考文献
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