PFC開關電源硬件設計分享

有源PFC技術目前已經(jīng)在開關電源的新產(chǎn)品研發(fā)工作中應用的較為成熟，但是在公共照明領域中，這一技術的適用范圍還并不是很廣泛。在今天和明天的文章中，我們將會為各位工程師們分享一種基于LED路燈的PFC開關電源設計方案。本方案采用有源PFC功能電路設計的室外LED路燈電源，其內部特別設置有EMC電路和高效防雷電路，能滿足室外照明和抗雷需要。今天我們將會就這一開關電源方案的硬件設計展開詳細介紹。

系統(tǒng)總體框圖

首先來看這一PFC開關電源方案的總體系統(tǒng)設計。在本方案中，考慮到戶外LED照明的工作需要，我們選擇采用隔離變壓器和PFC控制實現(xiàn)開關電源的正常運轉，該系統(tǒng)能夠輸出恒壓恒流的電壓，驅動LED路燈進行照明。這一電路的總體框圖如圖1所示。

圖1 PFC開關電源模塊工作原理框圖

相信很多從事LED照明研發(fā)工作的技術人員都非常清楚，目前市面上不少LED產(chǎn)品的抗浪涌的能力相對來說是比較差的，尤其對于抗反向電壓能力來說，更是如此。因此，加強這方面的保護就是本方案的重點。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源應具有抑制浪涌侵入，保護LED不被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。

在圖1所展示的這一PFC開關電源模塊工作原理狂徒中，我們可以很清晰的看到，當這一系統(tǒng)開始正常運行時，三相交流電經(jīng)過全橋整流后變成脈動的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。此時，主開關DC/AC電路將直流電轉換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED路燈需要的直流電源。

在本方案中，我們所設計的有源PFC開關電源的PWM控制電路，采用電壓電流實現(xiàn)雙環(huán)控制，已達到對輸出電壓的調整和輸出電流的限制目的。該系統(tǒng)中的反饋網(wǎng)絡采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反饋信號通過光耦送給PFC器L6561。由于使用了PFC器件使模塊的功率因數(shù)達到0.95。

DC-DC變換器設計

在這一基于LED的有源PFC開關電源的硬件設計中，為了全面保證用電安全，本方案中我們選擇的DC-DC變換器采用隔離式反激結構，該種結構的變換器有利于確保輸出電壓穩(wěn)定不變。就目前反激式開關電源的應用范圍來看，這種開關電源主要應用于輸出功率為5~150W的情況。這種電源結構是由Buck-Boost結構推演并加上隔離變壓器而得到，其工作原理如下圖圖2所示。

可以看到，在反激式的DC-DC變換器拓撲結構中，該系統(tǒng)主要使用變壓器作為儲能元件。開關管導通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供。當開關管關斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負載電流時消耗的能量。

圖2 高頻DC-DC變換原理圖

下面我們來詳細的看一下這種變換器的工作原理圖中，具體的參數(shù)含義。上圖所展示的隔離反激式DC-DC變換器工作原理圖中，T1為高頻隔離變壓器，VQ1為CMOS功率三極管17N80C3，VD7和VD8是瞬變抑制二極管，VD6為快恢復二極管，VD5為雙二極管，C3、C4、C5和C6為電解電容器。Ubout是來自整流橋的脈動直流信號，GD是來自功率因數(shù)校正電路的控制信號。變壓器的引線l和2組成一個繞組，給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。