一种基于PFC的LED驱动电路设计

张磊，杜晓岚

（陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳　712000）

一种基于PFC的LED驱动电路设计

张磊，杜晓岚

（陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳712000）

本文讨论一种基于PFC设计的LED驱动电源。介绍了系统工作原理和技术指标要求，提出GRM模式PFC设计方案，包括前级的功率因数校正、防雷、浪涌保护及EMI电路，恒流控制电路，实现LED正常工作。并针对LED特性设置了保护功能。最后进行了绝缘电阻、绝缘强度、短路保护功能、高低温工作等性能测试。

LED；PFC；电源驱动电路；CRM；保护电路

LED照明具有发光效率高、功耗和工作电压低、使用寿命长等优点，近年来LED照明技术飞速发展，驱动电源是LED照明产品的核心部分，驱动电源的好坏将影响了LED的品质和寿命。该论文研究一种基于功率因数校正（PFC）的LED电源驱动电路。

1　系统工作原理及技术指标

1.1工作原理

LED驱动器主要用于大功率照明，设计时必须达到正常照明要求；满足高效率、低成本和小体积；电源驱动器的输出必须采用恒流控制；充分考虑安全工作。

交流输入首先进入防雷浪涌保护及EMI路，该部分电路即防止外部干扰侵入电源内部，同时又阻止内部的干扰进入交流输电系统；正常输入交流经整流滤波电路，进入功率因数校正电路，进行电压电流波形调制，实现功率因素和电流谐波要求；经恒流控制电路实现恒流输出，实现LED正常工作。工作原理图，如图1所示［1-3，5］。

1.2技术指标

系统设计技术指标要求，如表1所示。

2　PFC驱动电路设计

图1　工作原理框图Fig.1　Working principle diagram

表1　技术指标表Tab.1 Technical indicators table

系统选用具有芯片价格廉价、便于设计、没有开通损耗。升压管关断时是零电流自然关断，承受的尖峰较小，损耗也相应较小等优点的临界导通型控制模式（CRM），CRM模式的工作原理框图如图2所示［6-8］。用于CRM模式控制的芯片比较多，ST公司的L6562D芯片具有性能优良、可靠性高、价格低廉等特点，故选择该芯片。本系统采用控制芯片L6562D设计PFC电路，具有外部电路简洁，逐个脉冲进行电流限制，有可编程的输出过压保护和开环保护功能。电路原理如图3所示。

图2　CRM模式工作原理框图Fig.2　CRM mode working principle diagram

图3　基于L6562的CRM模式的PFC电路Fig.3　Based on the L6562 model CRM PFC circuit

2.1高频滤波电容

设计要求最低、最低输入电压、最大输出功率分别为Vin（min）=17 V、Vin（max）=264 V、Po（max）=90 W，PFC电路工作频率fsmin=90 kHz，输出电压VO=400 V，PFC电路效率η=96%，根据式（1）可得Irms=0.58 A。

一般高频纹波电压为最小输入电压的1%到10%，选择一个中间值5%，则有r=5%。根据式（2）可得C1=0.2 μF。

2.2输出电容

由于△V=l0 V，输出电压为400 V，所以 Vout（max）=410 V，Vout（min）=390 V输出电容根据式（3）可得 C6=0.75 μF，可选用0.82 μF电解电容并联。

2.3boost电感

即变压器T的原边电感LP，开关频率最小f＝50 kHz，根据式（4）可得LP=890 μH，可选用900 μH电感。

2.4变压器的匝数

因此处的电感不仅作为电感，还要作为一个变压器用来产生控制IC所需要的电源，可以推算出在输入电压为170VAC时的工作频率，作为变压器副边供电，必须保证IC能够正常工作，为此处设定工作电压为18 V［4］。

选择TDK的PQ26/20型磁芯:Ae=119 mm2，取其最大的磁通密度为:ΔB=0.25 T。据式（5）得NP=49.5，选50匝。据式（6）可计算D=0.4。据据式（7）可得NS=5匝。

2.5PFC的MOSFET

原边电流在在最低电压的时候其电流有效值为最大，通过式（8）的近似计算。Imos-rms=0.58 A，实际上在MOSFET关断的时候，其上面是没有电流流过的，可以选用场效应管SPP20-N60C3。

2.6输出整流二极管

通过整流二极管的电流有效值根据公式（9），可得IDrms= 0.82 A，可选用MURF860，其典型的导通压降为0.8 V。

3　辅助电路设计

3.1保护功能

该系统设计要求有输出的过电压、短路和过温等保护功能。

输出过压保护是通过检测输出电压，当输出电压超过保护点时，通过光祸隔离将触发信号传输到初级，拉低控制芯片L6565D的COMP端，使电源无输出。

输出短路保护是通过电阻采样输出电流，当输出电流超过设定的保护点（2 A）时，比较器翻转，驱动光祸导通，光祸的次级将控制芯片L6565D的COMP端，使电源无输出，当短路状态解除以后，能够自动恢复输出。

输出过温保护通过在控制芯片L6565D的供电电源端VCC串联一个105℃的常闭温度继电器ST-22来实现，温度继电器贴装在主功率管的散热器上，当温度超过105℃时，温度继电器断开，电源输出关闭，当温度恢复至95℃左右时，温度继电器重新闭合，电源输出恢复。

3.2BUCK恒流源电路

BUCK电路拓扑形式简洁，外围元件少，效率高，电路原理如图所示，控制芯片选用MPS公司的MP4688，电路如图4所示。

3.3防浪涌、防雷、EMI滤波电路

本电源是为LED路灯供电，防浪涌、防雷是基本要求之一，较大的输入功率（约90 W）使得EMI滤波也是其重要指标要求，针对这三个技术指标，设计电路如图5所示。

压敏电阻RV1起到防浪涌的作用，RV2、RV3、VGl（气放管）共同构成防雷电路，共模电感L1、L2、Cl～C6构成EMI滤波电路，保险丝F1提供输入短路保护，R1～R3为C1、C6提供放电通路。

图4　BUCK恒流源电路Fig.4　BUCK constant current source circuit

图5　防浪涌、防雷、EMI滤波电路Fig.5　Surge protection，lightning protection，EMI filter circuit

4　系统测试

测试框图如图6所示。

4.1绝缘电阻测试

用绝缘耐压测试仪测试被测电源输入对输出，输入、输出对外壳的绝缘电阻 Ra，应大于等于 50 MΩ，测试电压: DC500V，分别短接输入端子和输出端子。

图6　测试框图Fig.6　Test schematic diagram

4.2绝缘强度测试用绝缘耐压测试仪测试被测电源，施加下列条件并保持1 min，应无击穿和闪络现象。分别短接输入端子和输出端子。

4.3短路保护功能测试

按测试框图所示连接电源供电、调压器、智能电量测量仪、被测电源、电子负载及各测量仪器仪表，调节调压器使输入电压为AC230V，被测电源正常工作。

用电子负载的短路功能使被测电源输出短路，然后解除短路状态，被测电源应能恢复正常工作状态。被测电源的短路保护功能正常。

4.4高低温工作试验

将被测电源放入温度试验箱内，按测试框图连接好仪器仪表及电子负载。启动温度试验箱降温至-45℃±2℃，恒温2 h后加电，进行测试。完成测试后开始升温，升温过程中保持被测电源额定工作状态，温度升至+45℃±2℃，恒温加电2 h后进行测试。

通过测试，本系统解决措施是有效的，提高了变换器的效率，使本电源整体效率达到了技术要求。由实验数据结果和波形得出结论:基于PFC设计与实现的LED驱动电源，设计合理，调试和试验中性能可靠稳定，性能和指标都满足设计需求。

5　结束语

LED被认为是未来最有前途的照明光源，而LED驱动电源是影响和制约LED寿命的最主要因素。本论文是在这一前景下，研制的基于PFC的LED驱动电源。该驱动电源损耗低，具有较高的功率因数和效率。该驱动电源电路形式简洁、外围元件少、体积小、功率密度较高、可靠性高，防水、防尘等效果良好，各项性能均满足标要求。

［1］邾玢鑫，罗全明，汪洋，等.多路输出高降压恒流LED驱动电源［J］.电工技术学报，2013，28（6）:178-183.

［2］王慧贞，张军达.一种新型无桥Boost PFC电路［J］.电工技术学报，2010，25（5）:109-115.

［3］姚凯，阮新波，王蓓蓓，等.第四代电光源—发光二极管［J］.电源世界，2008（3）:21-26.

［4］蒋志宏，黄立培，朱纪洪.并联交错临界连续PFC变换器的单周期控制［J］.清华大学学报:自然科学版，2007，47（7）: 1197-1200.

［5］Lu B，Dong W，Zhao Q.Performance evaluation of Cool MOSTM and SiC diode for single-phase power factor correction applications［C］.APEC'03，2003，2:651-657.

［6］Krames M R，Shchekin O B，Mueller M R.Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting［J］. Journal of Display Technology，2007，3（2）:160-175.

［7］Qingcong Hu，Zane R.LED driver circuit with series input connected converter cells operating in continuous conduction mode［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25 （3）:574-582.

［8］张建飞，史永胜，宁青菊，等.单级PFC LED驱动电源的研究与设计［J］.液晶与显示，2012（5）:671-676.

The design of LED driving circuit based on PFC

ZHANG Lei，DU Xiao-lan
（Electrical Engineering Department of Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

This paper discuss the design of LED driving circuit based on PFC.Introduces the working principle of the system and the technical index requirements，put forward the GEM model PFC design project.include before the level of power factor correction，lightning protection，surge protection and EMI circuit，Constant current control circuit，LED to work properly. And design the protection function for the LED characteristics.In the last test the insulation resistance，dielectric strength，short circuit protection function，high and low temperature working.

LED；PFC；the power drive circuit；CRM；protective circuit

TN6

A

1674－6236（2016）05-0116-04

2015-04-16稿件编号：201504160

张 磊（1983—），男，陕西咸阳人，硕士，讲师。研究方向：自动控制技术。