基于高功率因数谐振网络的LED驱动电源设计

杨燕

（广东省中山市第一职业技术学校 广东省中山市 528478）

1 序言

当前我国经济不断发展，对于照明需求也在不断变得多样，传统光源越来越不能适应社会的发展，更让多样化的LED 逐渐开始取代传统光源的作用。LED 拥有传统光源所不具备的高效、节能、无毒和环保等优势。电源是LED 设备的重要组成部分，驱动电源的效率决定了LED 照明产品的质量，基于当前实际需求，LED 驱动电源主要向着功率密度大、工作效率高和电源体积小的方向发展，但是因为LED 的特殊性质，容易出现大量的滤波电容污染电网，所以高功率因数的LED 也成为了当前LED 驱动电源的发展方向。

2 LED驱动电源工作原理与工作特性分析

2.1 灯具用途

本次设计的LED 集成两用灯具主要的用途是用于照明和应急效果，依照所使用的目的不同来进行编辑。本次选择的是工厂车间的灯光效果，基于智能集成两用灯具的实际功能，本次研究的对象是某汽车公司的A 工厂，该工厂于2000年正式运行，能够实现8车型45JPH 节拍的生产要求。每条生产线拥有涂装车间、焊装车间、装配车间、总装车间和车体分配中心等区域，本次研究主要集中在某生产线的装配车间。该车间占地面积6510 平方米，有多台专业设备，如车铣中心、数控加工中心等，同时配有专业辅助设备。基于实际需求，工厂决定在AGV 合装线、底盘线、内饰线、最终线、PBS 线以及仪表盘线上安装智能集成两用灯具。

2.2 使用环境

企业车间可以概括为五个系统的建设，这五个系统都需要密切使用LED 集成灯具。首先是建筑自动化控制系统，通过对配电、排水、通风和温度的调控，建筑自动化控制系统的建设是让流水线的环境变得更加效率；其次是消防自动化系统，消防自动化系统的建设是让流水线变得更加安全，通过对消防排火、排烟、报警和广播系统的全面联通，做到一旦有危险能够及时的反馈给其他人；第三是办公自动化系统，办公自动化系统的建设是让企业车间内的工作人员能够加快工作效率，通过完成企业车间内部管理系统的架构，帮助企业车间快速完成信息共享；第四是综合安保系统，综合安保系统可以分为视频监控系统、一卡通系统、三抄表系统和防盗报警系统，保证企业车间内部的财务和人身安全；最后是通信自动化系统，通信自动化系统负责串联上述的四个系统，让企业车间内部外部的沟通更加顺畅。综上所述，企业车间能够针对员工的安全提供保障，让员工的体验更加舒适，建筑的运作变得更加绿色节能，同时员工的流动和通信也变得更加畅通，整个流水线的运作管理变得更加高效。

2.3 电源控制模块

基于上述工厂描述笔者决定使用相关驱动电源充电控制模块、智能集成驱动电路和单片机控制系统来对智能集成两用灯具控制系统进行设计。其中单片机控制系统依靠电压来确定当前是否处于车间生产之中，进而决定两用灯具的工作模式，同时驱动电源控制模块随时间控制电池的电量问题，防止过度充电。智能集成驱动电路则通过电流的抽样来对PWM 进行调整，并且通过DC/DC 转换器可以实现驱动电压为12V、15V、18V 和21V 的多种用途。

2.4 驱动电源

从上述的使用环境描述可以看出，本次研究的企业车间环境复杂，LED 光源使用的范围广泛，需要根据实际的环境不同做出相应的变化。基于当前车间的使用需求，设计人员在设计之处确定了脉冲宽度调制调光、可控硅调光和模拟调光三种智能控制模式。其中可控硅调光的技术条件最为成熟，但是有着功率因数低的问题，这主要是因为可控硅调光技术在使用过程中灰皮怀电流正弦波形，所以不适合应用到电源系统功率因数高的场所；模拟调光技术适应的场所更加广泛，因为它能够通过芯片的控制引脚或者串联电阻的电阻值大小来改变负载电流，实现了LED 光源应用的进一步拓展。从实际车间的使用情况来看，LED 电源需要采用多通道进行驱动电路进行相应的输出，并且对每个通道都进行实时的检测，所以应用模拟调光技术在本次设计中最为合适。模拟调光技术需要应用的芯片也出现了很多的品种，需要根据实际电路的集成情况进行针对性的挑选，具体芯片使用情况下文会进行相应的介绍。

3 基于高功率因数谐振网络的LED驱动电源设计

3.1 驱动电源设计要求

3.1.1 系统要求

对于企业车间来说，驱动电源系统的设计质量直接决定了整个企业车间的电气工程质量。通常驱动电源系统存在的问题主要在于高压回路的设计，一旦高圧回路出现问题就会影响企业车间整体的驱动电源方式。比如在进行驱动电源系统设计时没有与时俱进，而是采取手动方式让高压侧母联开关处于连续投入，而不是依照不同的等级对线路进行规划，就很容易阻碍驱动电源系统的高效运行，甚至对LED 照明配电系统的正常运行也会产生影响。

3.1.2 设备要求

在驱动电源设备方面，最常见的问题主要在于驱动电源设备的选择出现问题。对于企业车间来说，驱动电源设备的选择无疑决定了设计效果的质量，但部分设计建设单位因为设计人员的疏忽或者设计人员的失误，无法科学合理的选择相应的驱动电源设备。比如针对复式断路器的选择，一旦出现失误就很容易造成实际使用中出现超重运行的情况，进而造成LED 照明设备的短时间失灵，如果在这种情况下发生火灾，LED照明电气设备就无法得到有效地运转，极大的增加了建筑的安全隐患。

3.1.3 电源监控要求

在电源监控方面，最常见的问题在于部分设计或设计单位对于电源监控设备不够重视，使得该设备在配电系统中处于缺位的情况。对于企业车间来说，因为其自身关于LED 照明能力的弱势，对于电源监控设备的设置更为看重。一旦相关建筑未对电源箱配套相应的电源监控设备，就无法让相关人员了解电力LED 照明设备的运行情况，如果出现突发的火情或者其他问题，当事人也无法及时的做出相应判断。同时部分企业车间的电气工程未在发电机处设置自启动程序，如果断电很难在短时间内进行快速驱动电源，如果一旦发生火灾就只能通过管理人员的手动驱动电源进行启动，这也为企业车间的LED 照明工作埋下了巨大的隐患，对建筑用户的安全产生了相应威胁。

3.2 PFC整流电路设计

企业LED 驱动电源的设计重点在于减少电磁干扰的产生。电磁干扰在LED 驱动电源运行过程中不可避免，作为驱动电源安全的保障，降低电磁干扰设计关系着电网的使用安全，所以为了避免电磁干扰所造成的相关损失，需要确保驱动电源降低电磁干扰设计的可靠运行，保证整个驱动电源电磁干扰系统的良好运转。此外降低电磁干扰设计的规划设计还需要满足新技术的发展空间，让驱动电源的降低电磁干扰设计能够满足驱动电源的不同需求，随时进行升级，所以降低电磁干扰设计要具备较强的灵活性。同时降低电磁干扰设计的规划还需要满足电源使用的要求，满足企业的发展规划原则，考虑到建设和维护的相关支出，驱动电源降低电磁干扰设计需要在保证上述原则的情况下尽可能降低成本。

基于上述要求，笔者认为需要设计相应LED 驱动电源PFC 整流电路，主要分为电路设计、变压器设计、钳位电路设计和控制电路设计四个方面。首先是滤波电路设计，本次选用的正桥型号为KBJ6J，承受的最大反向耐压600，最大电流6A，同时设计一个小容值的高频旁路电容将多余的高频信号进行滤除；其次是变压器方面，变压器设计为3 个绕组的变压器，分别用于储存、输送、供电的变压；第三是钳位电路，钳位电路用于截止MOS 管，为相应的寄生电容快速充电；最后是控制电路，控制电路选择L6562N 芯片，对三路信号进行采样，并对整体的PFC 整流电路进行调控。

3.3 LED驱动电路设计

作为LED 驱动电源的主要控制系统，LED 驱动电路的设计尤为重要。结合PFC 整流电路的设计，本次研究对LED 驱动电路的工作原理及设计方法进行介绍。本设计选用LM3464 芯片作为主控芯片，对芯片功能及外围各电路模块以及与PFC 整流电路的匹配进行描述，完成主要器件的计算与选型。

3.3.1 控制芯片

LM3464 芯片是TI 半导体公司生产的，专用于LED 驱动的半导体芯片。其具有四个独立的电流调节通道，集成了动态余量控制技术、PWM 调光功能和热反馈功能。LM3464 芯片的内部逻辑分为两点：

（1）通道启用逻辑，当芯片启动后，热控制电路模块将外部送入的PWM 信号和热反馈信号调整处理后送入4 个独立电流输出通道，然后LM3464 还具有由芯片的GD1～GD4 引脚输出驱动脉冲，分别控制各通道的启用。其中，热反馈信号由芯片VCC 引脚输出的6V 线性电压调节，芯片DMIN 引脚设置最小占空比，防止导通时间过短使LED 无法导通。同时芯片的DR1～DR4 引脚和SE1～SE4 引脚分别检测4 个通道的漏极和源极电压，并将此电压信号反馈到动态余量控制模块和故障处理模块。

（2）供电电压调整逻辑，VIN 引脚为芯片供电电压输入端，同时该电压也是LED 负载的正极电压，芯片VDHC 引脚有0.9V的电压余量，当LED 负载电压降低时，检测到的漏极电压将超过0.9V，动态余量控制模块会调整OutP 引脚的输出电压值，并通过外部电路进一步降低电源电压。芯片VDHC 引脚的电压也可根据需要通过外部电路设置，其内部控制逻辑不会改变。

3.3.2 启动电容

针对LED 驱动电路的实际情况，本次研究选择1μF 电容作为LED 驱动电路的启动电容。电容设计分为延迟响应、OutP 引脚电压变化率监控、电容电压上升三个步骤。电容根据MOS 管漏极电压对自身的相应层级分为第一层、第二层、第三层和顶层，将不同层级的电容对应到不同时长的响应时间。同时本次研究还发现将表层的电容调整为不同参数后其会出现相应的响应，利用LM3464 芯片来对电容的实际运转情况进行监控，更能够节省投入，针对不同应用环境下所出现的问题，本次研究采用了不同的设计方案进行试验，进而得出最适用的实际方案。

3.3.3 动态余量控制设计

首先是动态余量控制设计能够有效减少MOS 管输出电压过程中的功耗浪费情况，一方面基于LM3464 芯片设计了相应的余量控制模块，能够根据电路的填充自由进行尺寸设计，另一方面此类设备还配备专门的判断模块，提高电源使用效率的同时能够有效地降低电源使用过程中的变形风险；其次是动态余量控制设计采用了非降低输出电压的方式，而是采取匹配电压的模式，相对传统的降低输出电压能够明显的提高整体电源使用工作的效率；第三是动态余量控制设计中的电压控制应用能量密度较大，能够快速完成电源使用，从而减小实际的影响区域，提升整体电源使用过程的质量。另外在LM3464 芯片中PWM 调光可以与热反馈调光共存，电路中每个输出通道的平均电流由调光占空比决定。PWM 调光电路可对LED 阵列提供灵活的亮度控制，而热反馈调光则避免LED 发生热故障。

4 总结

基于环保和节能需求，LED 市场在逐步扩大的同时也在不断进行技术更新。为了降低谐波污染，高功率因数谐振网络LED 驱动技术是当前行业研究的热点，本文在对LED 驱动电源的电路结构进行优化的同时，也用软件对本次设计的可行性进行了研究，并且得到了积极的反馈，说明设计成果具备可行性。同时在研究过程中仍存在着一些不足，希望今后能够继续进行此类方向的拓展，为我国LED 照明的应用范围进行进一步的拓展。