大功率LED驱动电源的设计与调试

王天昊, 兰春光

(1.天津大学 智能电网教育部重点实验室， 天津 300072； 2.北京市建筑工程研究院有限责任公司, 北京 100039)



大功率LED驱动电源的设计与调试

王天昊1, 兰春光2

(1.天津大学 智能电网教育部重点实验室， 天津 300072； 2.北京市建筑工程研究院有限责任公司, 北京 100039)

针对发光二极管的电气特性及其驱动电源的要求，设计了一种电流型大功率LED驱动电路。从实际应用的角度出发，较为详细地介绍了NCP1653A校正电路以及NCP1693A控制电路的工作原理和参数选择方法。运用PSIM软件建立驱动电路的模型，并在平均电流控制模式下对其进行模拟仿真。根据绘制的PCB图，制作并调试驱动电源板。结果表明：针对200 W以上的LED，该电路可以有效地提升功率因数，抑制对电网造成的波动，较为稳定地提供输出电压。

驱动电源； 大功率； LED； 功率因数； 输出电压

0 引 言

迄今为止，全球照明所消耗的电能占据全球能源消耗的19%[1]，是能源消耗中不容忽视的一部分。众所周知，电能大多是由煤炭、石油、天然气等不可再生资源转化而成，因此，如何提高照明光源的效率，降低其能耗，对不可再生资源的保护来说意义深远。

发光二极管(Light emitting diode, LED)作为继白炽灯、荧光灯和气体放电灯之后所研制出的第四代光源。因其具备高效节能、超长寿命、光线健康、绿色环保、安全系数高、响应时间短等显著优点[2]，被广泛用于居民生活和工业生产中。也正是由于上述优点，才使得对其驱动电源的寿命、功率因数、谐波含量以及工作效率等性能指标要求越来越高[3]。从市场调研结果中发现，目前小功率LED驱动设备的产品种类较多，而与大功率配套的驱动电源少之又少。为此，从性能指标和市场需求两方面综合考虑，笔者提出一种电流型大功率LED驱动电路的设计方法,介绍NCP1653A校正电路以及NCP1693A控制电路的工作原理和参数选择，运用PSIM(Power simulation)软件建立驱动电路的模型，并在平均电流控制模式下对其进行模拟仿真。

1 NCP1653A的校正电路

1.1 NCP1653A的工作原理

功率因数校正技术是通过调整输入电流的相位，使得输入的电流和电压达到相位上的相同，从而实现功率因数的提高。NCP1653A芯片是一款升压型功率因数校正芯片，既可以工作在不连续导电模式下，又能工作在临界导电模式，其运行高频工作状态并有固定开关频率随动方式或者恒定输出电压方式[4]。

图1 BOOST变换器的等效电路

图1是BOOST变换器的等效电路。电路的输入电压Uin50 Hz是工频交流电经过整流桥之后的波形，MOSFET的开关频率是芯片工作频率为67 kHz，因此电感电流IL基本是由高频和低频信号组成。通过使用小容量电容，实现对电感电流的高频滤波。同时，电容值太大会影响电压波形，从而影响功率因数。

1.2 APFC电路的参数设计

图2是BOOST APFC电路原理。基于以上电路原理，根据大功率LED驱动电源对主电路的需求，计算主电路各设计参数如下：

(1)升压电感器电感值：电感器的峰峰值纹波电流通常为交流线路电流最大幅值的10%～50%，文中选择30%电感值为1.76 mH。

(2)输出滤波电容为10 μF/450 V铝电解电容。

(3)功率器件MOSFET包括KBL608整流桥、快速二极管RHR1510、STP20NM50FP开关管。

(4)芯片1脚上的电压为Ufb为2 V，设计三个反馈电阻(R5、R6、R7)分别为680，680和630 kΩ，开关噪音控制电容C8选择为1 nF。

(5)2脚上与内部300 kΩ的电阻设置调节脉宽，为有效抑制1 000 Hz的波纹，选择C9为100 nF。

(6)脚3和脚4为芯片输入电压检测元件，其基本参数如下：R1、R2分别为9.1 MΩ和910 kΩ，C6和C7为1和60 nF。

(7)电流检测元件：R4的功率消耗应该不超过输出功率的0.5%，这里选择为R4=0.577 67 Ω，R3=5.36 kΩ。

(8)芯片5脚外部电阻R9和电容C10为113 kΩ和500 pF。

(9)滤波电容用来滤除高频成分，电容值的选择不能太大，否则会对输入的正弦电压有影响，影响功率因数，这里选为100 nF。

图2 BOOST APFC 电路原理

2 NCP1396A的控制电路

2.1 NCP1396A的应用电路与工作原理

图3为NCP1396A的应用电路。NCP1396A是一款共振模式的电源管理芯片，内部具有500 kHz高频晶振，支持50 Hz～500 kHz的高频工作。芯片具有可调死区时间，可选择频率范围，过温保护，输入锁存，电压欠压保护，反馈回路保护，软开关启动，热关断等特点，有SO-16或者DIP-16封装。该芯片有16个引脚:(1)Css软启动引脚;(2)fmax最高频率设置引脚;(3)Ctimer时间延迟引脚;(4)Rt定时电阻设定;(5)BO低压检测引脚;(6)FB反馈输入引脚;(7)DT死区时间宽度调整;(8)Fast Fault快速检测引脚;(9)Slow Fault延迟检测引脚;(10)Gnd接地引脚;(11)Mlower低边MOS管驱动输出引脚;(12)Ucc供电引脚;(13)NC空脚;(14)HB半桥连接引脚;(15)Mupper高管驱动;(16)Uboot自举升压引脚。

图3 NCP1396A的应用电路

2.2 LLC电路参数

NCP1396芯片的电路以谐振电容CY和谐振电感Lr、Lm为主，构成LLC半桥谐振的DC-DC变换器，其简易连接如图4所示。

图4 控制电路外围引脚

变压器的设计采用的是集成式变压器，使用单个磁芯。谐振电感采用外界单独的电感。通过面积法计算变压器磁芯，需同时满足电流要求，因此初级绕组为48 T，二次侧次级绕组8 T。由于需要通过高频电流，所以选用0.1 mm×100股的纱包线来绕制。这种纱包线可以减少信号中的干扰，在非正常工作状态下可以传输高频信号使用。在实际应用中，由于控制漏感的误差在12%范围内都可以使用，因而不考虑控制漏感。

开关管的选择可以承受的最大电压为功率校正后输出电压400 V，最大电流是谐振电路所能承受的最大电流，故采用STP12NM60FP。

变换器参数的计算要求输出功率为200 W，输出电压为36 V，工作频率在100 kHz左右，变压器匝数比约为6，品质因数Q取值0.43。按照以上要求，采用相关公式得到谐振电容Cr和漏磁电感Lr分别为19.6 nF(实际电路中取22 nF)、129.24 nF。

3 大功率LED驱动电源的调试

3.1 PSIM仿真与结果分析

根据前面所计算的设计参数，采用PSIM(Power Simulation)软件搭建模型，如图5所示，进行平均电流控制模式电路的模拟仿真[5]。

图5 设计电路模型搭建

控制电路主要包括：乘法器、电流误差放大器、电压误差放大器、电压传感器、电流传感器、限幅器和锯齿波震荡器。工作原理：首先，BOOST电路的输出电压与预期电压进行比较，输入电压误差放大器。然后，输入电压和放大器输出电压通过乘法器形成电流反馈信号，再与通过电感的电流进行比较后，输送至电流误差放大器。最后，通过电流误差放大器的输出信号送至PWM的驱动器，以控制MOSFET的通断。图6为通过PSIM模拟设计电路的仿真结果。

图6 输入电压、输出电压、输入电流的波形

Fig. 6 Wave form of input voltage, output voltage and input current

从图6可以看出，电路进行功率校正后，输入的电流波形与输入电压波形相位相同的正弦波，电路的功率可达95%以上；且电流的总谐波畸变因数可以控制在一个较小的范围内。当输出电压稳定后，电压可以维持不变。通过功率因数校正电路后，输入交流的电压与流过电感的电流具有一致的相位，整流后的电压与电流也有相同的相位。因此，可以使功率因数得到极大的提高，仿真结果表明功率因数在电压稳定时可以达到0.8以上，同时也会减小电流谐波，以减少装置对电网造成的波动。

3.2 PCB绘制与驱动电源的调试

利用Altiumdesinger绘制出PCB图，最终制作出成型的PCB电路板。由于原理图到绘制PCB图应注意两个问题[6]，一是正确的设置参数；二是要选择导线的长度和宽度，以及导线间的距离。导线过长，其内部会产生电感，影响电网的性能；导线需要足够宽，以承受流过它的最大电流；导线间的间距需要足够大，以满足可以承受的最大电压。

采用NCP1653A校正电路的设计参数和LLC电路的设计参数，实际制作了一款200 W大功率LED驱动电源，并成功点亮了LED，如图7所示。通过控制LLC谐振电路的上下开关管的导通频率，实现向LED提供稳定的输出电压。通过增加点亮的LED数量作为负荷的增大，调试中发现，在允许范围内增加LED的数量不影响LED的发光情况，说明电路可以提供稳定的电压支持。

图7 驱动电源的调试

4 结束语

电流型大功率LED驱动电路可以稳定提供输出电压。利用PSIM软件的电路模拟仿真功能，设计并验证设计的电路的可行性与合理性。设计的电路通过闭环控制有效地为直流设备提供稳定的电压输出，不受负载数量的影响。同时，设计的整流电路中增加的功率校正电路，能有效地提高电路的功率因数减少电能损耗与谐波干扰。根据设计参数实际制作了驱动电源，验证了该理论正确可行。

[1] FRANK MARX. LED照明势在必行[J]. 电子技术, 2006(4): 80-85.

[2] 宋贤杰, 屠其非, 周 伟, 等. 高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用[J]. 半导体光电, 2002(5): 356-360.

[3] 牛萍娟, 付贤松, 任梦奇, 等. 高功率因数的90 W LED路灯驱动电源设计[J]. 电工技术学报, 2014(10): 199-205.[4] 毛兴武, 祝大卫. 功率因数校正原理与控制IC及其应用设计[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

[5] 陈登锴, 王君艳. BOOST功率因数校正器在三种工作模式下特性的比较[J]. 现代电子技术, 2007(11): 103-105.

[6] 董 强, 倪 健, 刘 云, 等. PCB的布线设计及抗干扰技术[J]. 舰船科学技术, 2006(2): 57-59.

(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Design and test for driving power supply of high-power LED

WangTianhao1,LanChunguang2

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education， Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Beijing Construction Engineering Research Institute Co. Ltd., Beijing 100039, China)

This paper is focused specifically on a current-source, high-power LED driver circuit tailored for the electrical characteristics of light emitting diode and its requirement for power supply. The paper starts from the perspective of practical application and presents a more detailed introduction to both the working principle and parameter selection method behind the NCP1653A circuit correction and the NCP1693A circuit control. The study works towards developing the driving circuit model using the power simulation (PSIM) software, together with the subsequent simulation under the average control current mode; and making the circuit board according to the PCB figure. The results show that, when it comes to an LED above 200 W, the circuit enables an effective improvement in the power factor, thus restraining the fluctuation to power grid and affording a more stable supply of output voltage.

driving power supply; high power; LED; power factor; output voltage

2016-08-08

国家自然科学基金项目(51408030)

王天昊(1993-)，男，黑龙江省哈尔滨人，硕士，研究方向：电力电子与电网仿真，E-mail：wangtianhao@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.020

TN34

2095-7262(2016)05-0569-04

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