本文分析并提出了一種方案主要針對(duì)LED 路燈的高效率電源驅(qū)動(dòng)器的AC/DC 部分。電路采用了零電壓開通技術(shù)降低了一次側(cè)Mos 管的開關(guān)損耗。本文還提出了一種可用于高輸出電壓情況下的混合型同步整流方案并對(duì)其工作原理和工作過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，并就如何減小變壓器的損耗提出了一些看法。最后，本文介紹了設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1. 引言
近年來，隨著大功率白光LED 技術(shù)的發(fā)展，照明產(chǎn)業(yè)開始面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。LED 越來越多地被應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域，道路照明則是其中一個(gè)極具潛力的重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于LED 本身所特有的長壽命、潛在的高光效的特征，設(shè)計(jì)一款能夠充分發(fā)揮此特征的高效率恒流驅(qū)動(dòng)電源則顯得尤為重要。
2. 高效率LED 電源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與分析
2.1 設(shè)計(jì)概述
在本次針對(duì)LED 路燈進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮到此應(yīng)用的特點(diǎn)與要求：
1）單燈最大功率不超過100W。
2）為提高路燈的可用性，燈具中LED 分為若干組，每組中LED 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，組間分別驅(qū)動(dòng)，單組損壞不影響其它組LED。
3）為提高安全性，輸入與輸出之間需要電氣隔離。
4）電源需具有較高的功率因數(shù)。
為滿足以上要求，本設(shè)計(jì)采取ACPDC 恒壓電源與多路DCPDC 恒流驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)多路LED。
ACPDC 部分采用反激式拓?fù)洌敵?2V , 100W。
DCPDC 部分采用國半的LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片LM3404。
本文僅介紹AC/DC 部分的設(shè)計(jì)。
反激式電源的損耗主要在于3 個(gè)地方： 1）一次側(cè)Mos 管的損耗，包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。2）二次側(cè)整流二極管的損耗。3）高頻變壓器的損耗，主要包括鐵損、銅損及漏感造成的損耗。為提高電源的效率，主要需從這三個(gè)方面采取措施，減小損耗。
2.2 控制方式及零電壓開通設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中，采用ST 公司的L6562 作為主控芯片，L6562 是一款經(jīng)濟(jì)型功率因數(shù)校正控制器。反激式電源工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）, 通過前端EMI 濾波器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高的功率因數(shù)。
為減小初級(jí)Mos 管損耗，我們選用ST 公司的Mos 管STP11NM60 , 導(dǎo)通電阻0145 Ω , 可以有效減少導(dǎo)通損耗，并采用準(zhǔn)諧振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Mos 管的零電壓開通，可以最大限度地減小開關(guān)損耗。
自從20 世紀(jì)70 年代以來，軟開關(guān)得到了充分發(fā)展，準(zhǔn)諧振技術(shù)也有了成熟的應(yīng)用。L6562 本身就具有零電壓開通檢測管腳，可以較為方便地實(shí)現(xiàn)當(dāng)Mos 管漏極電壓降到谷底時(shí)將其開通。
具體設(shè)計(jì)如圖1 所示，其中，T1 為變壓器的一次側(cè)繞組，T2 為輔助繞組。1）t0 ～ t1 時(shí)段，Mos 管M1 開通，整流輸出電壓Uc 流經(jīng)變壓器T1 繞組，電流I1 上升。2）t1 時(shí)刻，Mos 管關(guān)斷，Mos 管電壓U2上升，變壓器初級(jí)繞組電流I1 換流到次級(jí)繞組電流I2。3）t1 ～ t2 時(shí)段，變壓器開始向副邊輸送能量，副邊的充電電流I2 隨時(shí)間線性減小。4）t2 時(shí)刻，I2降為0 , 儲(chǔ)存于變壓器中的能量釋放完畢。5）t2 ～t3 時(shí)段，變壓器T1 繞組電感L1 , 漏感L2 與Mos 管漏極對(duì)地電容C1 開始諧振，諧振頻率。T2 作為輔助繞組之一，其一端電壓U1 隨U2 降低，當(dāng)?shù)陀赯CD 的閾值下限116V , 即位于圖2 所示A 點(diǎn)時(shí)，L6562 再次開通M1 , 下一周期開始。
圖1 實(shí)現(xiàn)零電壓開通電路的原理圖
此電路實(shí)現(xiàn)了在Mos 漏極電壓達(dá)到谷底時(shí)開通，盡可能地減小了Mos 管漏極對(duì)地電容在高電壓情況下放電造成的損耗。
圖2 電路工作時(shí)各點(diǎn)波形圖
2.3 同步整流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
在一般的反激式開關(guān)電源中，二次側(cè)的整流二極管損耗也是電源效率的重要影響因素之一，可以通過選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管來緩解這個(gè)問題。但一方面，這種改良對(duì)性能的影響并不是非常顯著；另一方面，在本應(yīng)用中，輸出電壓較高，而肖特基二極管的反向耐壓一般較低，難以滿足要求。
比較好的方法就是采用同步整流技術(shù)，用導(dǎo)通電阻低的Mos 管替代傳統(tǒng)的整流二極管。同步整流按照工作方式可以分為外驅(qū)型和自驅(qū)型，按工作原理分，又可以分為電壓型驅(qū)動(dòng)、電流型驅(qū)動(dòng)和諧振型驅(qū)動(dòng)等。這些同步整流方式各具特點(diǎn)，但也各有不足。文獻(xiàn)中提出了一種較為實(shí)用的電流型同步整流驅(qū)動(dòng)方案，但由于將Mos 管的門極驅(qū)動(dòng)電壓鉗位在輸出電壓，而門極擊穿電壓較低，因此只適用于較低輸出電壓的情況。
本文提出了一種新型的混合型同步整流方案，電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其工作原理簡單描述如下：
圖3 同步整流方案的電路結(jié)構(gòu)
T3 與T4 分別為變壓器上的兩個(gè)繞組： 其中，T3 為二次側(cè)繞組，用于能量的傳遞，T4 為輔助繞組。T4上的電壓跟隨T3 的電壓升高，用以開啟同步整流Mos 管M1。CT1 與CT2 則為電流互感器CT 的兩個(gè)繞組，其中，初級(jí)繞組CT1 被串在主電路中，用于檢測流經(jīng)Mos 管的電流。當(dāng)CT1 中的電流下降到零時(shí)，CT2 將把M1 關(guān)斷。因此，此方案以電壓信號(hào)控制Mos 管導(dǎo)通，電流信號(hào)控制Mos 管關(guān)斷，不僅效率高，而且工作穩(wěn)定，不存在誤開通的情況。下面將對(duì)這種驅(qū)動(dòng)方案的工作過程做詳細(xì)分析。
1）第一階段，變壓器一次側(cè)Mos 管關(guān)斷，電流從變壓器的一次側(cè)換流到二次側(cè)。T3 繞組通過CT1 , M1 為輸出電容器C3 充電。T3 繞組的輸出電壓被鉗位于C3 兩端電壓（在本應(yīng)用中約為52V）。
由于T4 繞組為變壓器的一個(gè)輔助繞組，因此，同名端B 點(diǎn)的電壓比例上升至一個(gè)高電壓（在此應(yīng)用中約為10V）。則B 點(diǎn)電壓通過二極管D2 為電容器C1、C4 充電。其中，電容器C4 為Mos 管M1 的門極輸入電容，通常小于1nF , 以虛線示出。電容器C1為外加電容，取C4 電容值的10 倍以上。由于C4 遠(yuǎn)小于C1 , 并且電容值很小，根據(jù)電容器的串聯(lián)分壓原理，C 點(diǎn)電壓很快被充至近10V , M1 導(dǎo)通。同時(shí)，電流互感器CT 中的能量從繞組CT2 通過二極管D1 饋入輸出電容器C3 , 降低了開關(guān)驅(qū)動(dòng)損耗，D 點(diǎn)電壓也被鉗制在約52V。
2）第二階段，流經(jīng)D1 的電流降為0 , 此時(shí)流經(jīng)CT1 的電流降為Ioff 。D1 關(guān)斷，D 點(diǎn)電壓開始降低，最終使PNP 型三極管Q1 導(dǎo)通，C4 上的電被放掉，C 點(diǎn)變?yōu)榈碗妷海琈1 關(guān)斷，同步整流結(jié)束。由于此時(shí)Ioff > 0 , 變壓器二次側(cè)的充電過程仍未結(jié)束，改經(jīng)M1 的寄生體二極管續(xù)流，A 點(diǎn)、B 點(diǎn)仍為高電壓。由于C4 被Q1 短路，T4 通過D2、Q1 為C1 充電，直到C1 被充滿。值得注意的是，C1 之所以選用電容而不使用電阻，一方面保證了第一階段中對(duì)C4 的快速充電，另一方面使得第二階段中Q1 導(dǎo)通后在其上的損耗得以降低，提高了驅(qū)動(dòng)的效率。
3）第三階段，變壓器一次側(cè)Mos 管再次導(dǎo)通，A 點(diǎn)、B 點(diǎn)為負(fù)電壓，PNP 三極管Q2 導(dǎo)通，C1 被放電，保證了下一周期能夠再次正常工作。C 點(diǎn)電壓保持在低電壓，不會(huì)造成M1 的誤開通。值得注意的是，在每個(gè)周期中，C1 都會(huì)被反復(fù)沖放電。其損耗由公式P = 1/2 CU2 f 可得。其中，設(shè)C = 10nF ,U = 10V , f = 100kHz。因此P = 50mW, 此即在C1上損耗的功率。當(dāng)變壓器一次側(cè)Mos 管在一段時(shí)間后再次關(guān)斷后，新的一個(gè)周期開始。
這種新型的同步整流方案具有如下特點(diǎn)： 1）可以廣泛適用于各種輸出電壓。2）電路結(jié)構(gòu)和原理較為簡單。3）驅(qū)動(dòng)損耗小，效率高。4）電路確定性好，無誤動(dòng)作。電路在PSpice 下的Mos 管電流波形和門極驅(qū)動(dòng)電壓波形的仿真結(jié)果如圖4 所示。
圖4 Mos 管電流波形和門極驅(qū)動(dòng)電壓波形的Pspice 仿真結(jié)果
2.4 變壓器設(shè)計(jì)
高頻變壓器作為隔離型電源中必不可少的組件，在提升效率方面所起的作用也是不容忽視的。變壓器的損耗主要分為銅損、鐵損及漏感造成的損耗三大塊。
銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當(dāng)電流通過線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗。在低頻時(shí)，變壓器的銅損主要是銅導(dǎo)線的直流電阻造成的，但工作在50kHz～100kHz 的高頻電源變壓器則必須考慮到集膚和鄰近效應(yīng)。為減小兩者帶來的交流銅阻變大的現(xiàn)象，可以采取用里茲線替代單股粗銅線繞制變壓器，一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈交錯(cuò)繞制等方法。
鐵損即磁芯損耗，包括磁滯損耗、渦流損耗和殘留損耗。其大小由公式Pc = Kp ×Bn ×f m ×vol所決定。其中，B 為鐵芯中的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，f 為工作頻率，vol 為鐵芯體積。Kp , n , m 則為與鐵芯材料有關(guān)的常數(shù)。要減小鐵損，可以在增加線圈匝數(shù)的同時(shí)增大氣隙，以此來減小工作磁通，但最根本的措施還是選用更好的磁芯材料。
另外要使鐵損與銅損之和最小，必須滿足以下兩個(gè)條件： 1）鐵損= 銅損。2）原邊銅損= 副邊銅損。
變壓器損耗的另一重要組成部分則是由漏感造成的。漏感Lσ 上損耗的功率由公式P = 1P2LσI2 f確定。其中，I 為變壓器一次側(cè)的峰值電流，f 為開關(guān)頻率。漏感的存在使初級(jí)Mos 管上需要承受更大的電壓應(yīng)力。而在反射電壓一定的條件下，漏感越大，則變壓器的效率越低。要減小變壓器的漏感，需要從鐵芯結(jié)構(gòu)的選取，氣隙的位置，繞組繞制的方式等方面綜合考慮。
近年來，平面變壓器作為一種新的變壓器技術(shù)正在日趨成熟。該變壓器使用的是高度較低，底部面積較大的平面磁芯。同常規(guī)的漆包線繞組不同，該變壓器的繞組是利用印制板上的螺旋形印制線來實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)變壓器相比，平面變壓器具有效率高、工作頻率高、體積小、漏感小、熱傳導(dǎo)性好、一致性好等眾多特點(diǎn)。雖然其目前在國內(nèi)還面臨著成本較高、技術(shù)仍不完善等缺陷，但隨著進(jìn)一步的發(fā)展，平面變壓器必將在一些高端應(yīng)用中取代傳統(tǒng)變壓器。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)
根據(jù)以上分析，我們制作了一臺(tái)100W 樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)的輸入電壓范圍為176V～264V , 輸出電壓為52VDC , 二次側(cè)Mos 管選用IR 的IRF4229。
圖5 所示為220V 輸入情況下一次側(cè)開關(guān)管電壓波形和門極驅(qū)動(dòng)波形。由圖可見，一次側(cè)開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)在電壓谷底開通，大大降低了開關(guān)損耗。
圖5 220V 輸入下一次側(cè)開關(guān)管電壓波形和門極驅(qū)動(dòng)波形
圖6 所示為二次側(cè)Mos 管電流波形及同步整流的驅(qū)動(dòng)電壓波形。由圖可見，Mos 管的開通和關(guān)閉信號(hào)都具有較陡的邊沿，工作效果好。
圖6 二次側(cè)Mos 管電流波形及同步整流的驅(qū)動(dòng)電壓波形
表1 是在100W 電阻負(fù)載下測試的樣機(jī)效率和功率因數(shù)，可見本文提出的高效率電源驅(qū)動(dòng)器可以在要求的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高于90 %的效率和較高的功率因數(shù)。
表1 不同輸入電壓下電源效率及功率因數(shù)
另外，由于變壓器制作工藝的限制，本樣機(jī)的變壓器并不算非常好，對(duì)效率的影響也比較大。如果能夠在這方面加以改進(jìn)，效率仍有較大的上升的空間。
結(jié)論：
本文分析并設(shè)計(jì)了一種針對(duì)LED 路燈的高效率電源驅(qū)動(dòng)器的AC/DC 部分。電路的主拓?fù)洳捎昧嘶贚6562 的反激式變換器。電路工作于DCM并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)。變壓器的一次側(cè)采用了零電壓開通技術(shù)以實(shí)現(xiàn)低的開關(guān)損耗。本文還提出了一種可用于高輸出電壓的混合型同步整流方案并對(duì)其工作原理和工作過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。最后，本文就如何減小變壓器的損耗提出了一些看法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照此方法設(shè)計(jì)出的樣機(jī)具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)是較為成功的。
