PFC開關電源硬體設計分享

有源PFC技術目前已經在開關電源的新產品研發工作中應用的較為成熟，但是在公共照明領域中，這一技術的適用範圍還並不是很廣泛。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於LED路燈的PFC開關電源設計方案。本方案採用有源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體設計展開詳細介紹。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386972.htm

系統總體框圖

首先來看這一PFC開關電源方案的總體系統設計。在本方案中，考慮到戶外LED照明的工作需要，我們選擇採用隔離變壓器和PFC控制實現開關電源的正常運轉，該系統能夠輸出恆壓恆流的電壓，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照明研發工作的技術人員都非常清楚，目前市面上不少LED產品的抗浪湧的能力相對來說是比較差的，尤其對於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。由於電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪湧，有些浪湧會導致LED的損壞。因此LED驅動電源應具有抑制浪湧侵入，保護LED不被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網上的諧波幹擾串入模塊，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，當這一系統開始正常運行時，三相交流電經過全橋整流後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衝電壓在變壓器的次級輸出。變壓器輸出的高頻脈衝經過高頻整流、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，採用電壓電流實現雙環控制，已達到對輸出電壓的調整和輸出電流的限制目的。該系統中的反饋網絡採用恆流恆壓器件TSM101和比較器，反饋信號通過光耦送給PFC器L6561。由於使用了PFC器件使模塊的功率因數達到0.95。

DC-DC變換器設計

在這一基於LED的有源PFC開關電源的硬體設計中，為了全面保證用電安全，本方案中我們選擇的DC-DC變換器採用隔離式反激結構，該種結構的變換器有利於確保輸出電壓穩定不變。就目前反激式開關電源的應用範圍來看，這種開關電源主要應用於輸出功率為5~150W的情況。這種電源結構是由Buck-Boost結構推演並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功率三極體17N80C3，VD7和VD8是瞬變抑制二極體，VD6為快恢復二極體，VD5為雙二極體，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，為恆流恆壓器件和比較器提供工作電源。