摘 要:基于TOP247YN控制开关的离线反激式LED电源,采用单级功率因数校正( PFC)电路,产生一个12 V, 1. 67 A的输出,满足能源之星关于商业应用最低功率因数为0. 9的要求,并达80%的效率。
关键词: LED驱动器; TOP247YN; 20W; 85~277 V AC输入; PFC反激式
Abstract: The off2line flyback LED power supp ly based on TOP247YN control switch emp loys a single stagePower Factor Corrected ( PFC) circuit. The supp ly generates a 12 V, 1. 67 A output and meets the EnergyStarminimum power factor requirement of 0. 9 for commercial with a high efficiency of 80%.
Keywords: LED driver; TOP247YN; 20W; 85~277 V AC input; PFC flyback
0 引言
在两三年前,LED的最大市场是手机这类便携产品的彩屏背光照明,而目前这类消费类电子产品已趋向饱和。随着大功率LED及其驱动IC的迅猛发展,LED的应用重点已经转向汽车照明和道路、住宅及工商业照明。
对于工频电源供电的离线恒流AC2DC LED驱动电路,仅能将LED 灯点亮是远远不够的。这种LED照明电源,应当符合IEC610002322 对C类(照明)设备规定的谐波电流的限制要求,并满足美国能源之星固态照明( SSL)关于商业应用功率因数不低于0. 9和住宅应用功率因数不低于0. 7的要求以及相关标准规定的对EM I的限制要求。
AC2DC恒流LED驱动电源实现高功率因数的方法是采用PFC电路。PFC分无源和有源两种。其中无源PFC电路简单,功率因数可以超过0. 9,但输入电流谐波难以达到低失真要求;有源PFC往往需要两级电路拓扑, 使用两个或两个以上的功率开关(MOSFET) ,电路比较复杂,但效果极佳。本文介绍一种基于TOP247YN 的单级PFC反激式LED 电源,无需使用PFC控制IC,也不必增加功率开关。
TOP247YN是美国P I公司生产的TOPSwitch2GX系列产品的其中一种器件,采用TO222027C封装,内含一个PWM控制器和一个700 V的MOSFET,在应用中能使系统电路大为简化。
1 基于TOP247YN带PFC的20W反激式LED驱动电路
采用TOP247YN带PFC的20W反激式LED驱动电路如图1所示。该电路的AC输入电压范围为85~277 V AC ,输出功率为20W,可以驱动大功率LED阵列。
1. 1 电路组成与工作原理
图1所示LED驱动电路组成与原理如下所述。
1. 1. 1 输入EM I滤波器
电容C1 , C18 和共模电感L1 组成标准EM I滤波器,加进L2 , L3 增强差模滤波和浪涌抗扰能力。共模滤波由L1 和电容C9 (连接在变压器次级⑥, ⑦端与初级侧接地端之间)提供。与L2 相并联的R24 能够减小高频传导和辐射EM I。
并联在输入端上的VR1 用作吸收浪涌电压, C3为DC2DC开关变换器输入电容。
1. 1. 2 基于TOP247YN的反激式转换器
(1)单级PFC反激式转换器
为获得较高的功率因数,使用较小输入电容的反激式转换器适合于在非连续导通模式(DCM)工作,这就会增加初级有效值(RMS)电流。选用TOP247YN(U1 ) ,其内部MOSFET有较小的导通电阻RDS( an) ,因此有较小的功率损耗,获得较高的效率。
要实现高功率因数和低输入电流谐波含量, U1中MOSFET在单个AC线路周期上的占空比必须保持恒定。TOP247YN 的操作占空因数是控制引脚(C端)电流的函数,这就要求进入到U1 引脚C上的电流保持恒定。为此,U1 引脚C上的电容C5 的电容量足够大。C5 大的电容值会引起大的过冲和较长的启动时间。为避免这种情况发生, 将Q1 设计成由U2B(LTV817A)驱动的射极跟随器。从Q1 发射极看, C10的电容量增加hfe (Q1 的电流增益)倍(即C10 ·hfe ) ,而R6 减小至R6 /hfe。C10 和R6 将电路主极点频率设定在0. 02 Hz,与R7 在200 Hz时形成一个零点,以提高增益交越时的相位裕量。增益交叉发生在30 Hz到40Hz,即远低于100 Hz或120 Hz的经整流的AC线路频率。D8 用作阻止在启动期间反向电流通过Q1。由于电容C10从Q1 发射极看增大到C10 ·hfe ,这样的电容值足以使进入U1 引脚C上的电流保持恒定,从而使U1 中MOSFET的开关占空比保持不变。
(2)DC总线电压限制与初级钳位
由于AC线路存在寄生电感,在浪涌电流对电容C1 , C2 和C3 充电时,在C3 上将产生一个电压尖峰,其值往往会超过U1 中MOSFET的额定电压BVDSS。为阻止这种情况发生,加入二极管D5 和电容C4 ,可以限制最大DC总线电压。
D7 , R2 , R3 , C6 和VR1 组成变压器初级钳位电路。在正常操作时, R3和C6设置钳位电压。200 V的瞬态电压抑制二极管VR1 仅在启动和负载瞬变期间导通,并设置上限钳位电压。R2 衰减高频振铃并改善EM I性能,二极管D7 用于恢复一些泄漏能量,有利于提高变换器效率。在正常操作期间,随C3 上的DC输入电压降落到零,与U1 中MOSFET漏极串联在一起的快速恢复二极管D6 能阻止漏极电压降至源极电平之下和器件反向偏置。
1. 1. 3 输出整流与反馈
(1)输出整流与滤波
D10 ,D11与C11 , C12 组成输出整流与滤波电路。整流器使用两个二极管,并分别连接在两个次级绕组上,可以减小功率耗散并增加效率,同时还能改善两个二极管之间的电流分配。C11 和C12 选用大容量电容,可以减小出现在输出上的线路频率纹波。
(2)恒压(CV)操作
输出反馈分别履行两个功能,即恒压(CV)和恒流(CC)操作。电压反馈由VR2 和光电耦合器U2A提供。一旦输出电压超过规定值,通过VR2 , R16 和U2A及U2B反馈至初级。随AC线路和负载变化,流入光耦合器的电流幅度则相应变化,从而增加或减少U1 中MOSFET的占空因数,使输出电压稳定。R16 设置在恒压区的环路增益。在空载时, R16和VR1 将输出电压限制在18 V。
(3)恒流(CC)操作
R11 , R12 , R23 , Q2 ,Q3 ,Q4 及其相关电路与U2A共同组成低压恒流电路, 并将平均LED 电流设置在1. 67 A。
Q3 和U2A中LED的正向压降为Q2 产生一个偏置电压。R11 , R12 和R13 为导通Q2 产生一个附加电压,它等于Q2 的偏置电压与Q2 的V BE (约0. 5 V)之差。一旦Q2 开始导通,Q4 也导通,Q4 的集电极电流加至U2A并提供反馈。R 9限制Q4 的基极电流, R14设置CC环路的增益, R 10在Q2 导通之前保持Q4 截止, C 13提供环路补偿。
1. 1. 4 软启动
由于U1 控制脚C上的旁路电容C 5和Q1 基极上的电容C 10值都比较大,在启动时一旦环路闭合并由U2A提供反馈,环路响应时间比较长,容易产生较大的输出过冲。
D12 , C15 , C16 , R18 ~ R21 和Q5 组成软启动电路。D12 , C15产生一个辅助电源, C 15上的电压升高远比C11和C 12上的主输出电压上升快。当C 16被充电时, Q5导通,Q5 的集电极电流经U2 去充电C 10和C 5 , R 21用来限制最大电流。一旦C 10和C 5充电结束,电流则进入U1 的控制引脚。在电源关断时, C 16经R 18放电而始电路复位。软启动电路可以使输出达到稳压值的启动过程不出现过冲。
1. 2 设计要点
(1)变压器设计。变压器采用EE28 NC22H磁心和配套的EE28 10 引脚骨架。初级使用美国线规AWG27电磁线绕20匝×2,初级电感724μH ±10% ,初级谐振频率≥855 kHz;两个并行次级绕组各4匝,AWG23 (三层绝缘线) ;偏置绕组( ④脚~⑤脚) 7匝,AWG30。变压器漏感≤10μH,平均功率为20W。KP值设定为1,以确保达到最低AC输入电压峰值时立即进入不连续模式, 使变换器确保在不连续模式(DCM)下操作。
(2)D6 必须为快速恢复型二极管,这种器件可以防止反向电流在其关断时流入U1。
(3)必须确保环路增益交越频率低于40 Hz和低频带宽度,以降低输入电流中的三次谐波含量,提高功率因数。
(4)采用两个并行次级绕组和两个独立二极管,这样可以提高效率。
1. 3 电路性能
图1所示的带单级PFC电路的20W反激式LED照明电源,可在85~277 V AC的全球通用AC线路上工作,其主要性能如下:
(1)线路功率因数达0. 97 以上,满足能源之星SSL VER1. 0关于商业应用环境功率因数不低于0. 9的规定要求。
(2)AC输入电流谐波含量如图2 所示(@115VAC和230 VAC ) ,符合IEC610002322 关于C类设备谐波含量限制规定。
(3 ) 在整个AC 输入电压范围内的效率高于80%。
(4)符合EN55015B 传导EM I限制, EM I裕量>10αBμV。
2 小结
由工频电源供电的LED驱动电路对功率因数和谐波含量的要求类似于电子镇流器。荧光灯交流电子镇流器输出45 kHz左右的高频,是一种AC /DC和DC /AC转换器。而离线式LED驱动器输出恒流,是一种AC /DC与DC /DC转换器。基于TOP247YN 带单级PFC的反激式LED驱动电路,是一种开关电源型电路拓扑,完全满足相关规范关于电流谐波、功率因数及EM I等规定要求。