交错并联反激简化LED路灯电源的设计.doc

交错并联反激简化 LED 路灯电源的设计胡炎申美国德州仪器半导体技术电源参考设计摘要摘要 - 本文说明了两相交错并联反激变换器的工作原理，反本文说明了两相交错并联反激变换器的工作原理，反 激变换器均工作于临界导通模式，控制芯片激变换器均工作于临界导通模式，控制芯片 UCC28060/1 的应用可实现的应用可实现 LED 电源低电流纹波、高功率因数的技术要电源低电流纹波、高功率因数的技术要 求通过一个求通过一个 150W AC/DC LED 路灯电源的实际设计、测路灯电源的实际设计、测 试，证明这种设计方案切实可行，并与常规两级功率结构试，证明这种设计方案切实可行，并与常规两级功率结构 相比，可实现更简洁的电路设计、更低的成本要求相比，可实现更简洁的电路设计、更低的成本要求1. 引言LED 照明属于低碳、节能、环保的领域，这是 LED 产业发展面临的又一次机遇LED 照明凭作曲 借其突出的优势，成为新能源产业的研究热点之一 根据市场研究公司 iSuppli 的最新调查报告，2011 年 全球 LED 照明市场总额将达到 90 亿美元，其中中国 大陆 LED 照明市场将有望超过 300 亿人民币。

目前最大的 LED 照明市场是 LED 背光电源，使用 于笔记本电脑、液晶显示器，液晶电视、及中 LED 通用照明市场已步入快速发展轨道，特别是在路 灯、汽车尾灯、汽车内部和小标识灯、建筑物外墙装 饰明明、政府机关的内部通用照明、户外和户内 LED 显示屏、家庭射灯等，家用 LED 台灯和 LED 日光灯 市场也已开始启动 LED 照明已经显示了巨大的发展潜力，并已逐渐应 用于城市路灯系统现今大多数的路灯电源方案主要 由三级构成：PFC+DC/DC+恒流源，一般恒流源集成 在灯具内部，因而 PFC+DC/DC 构成单独的外部 AC/DC 电源，一般由灯具公司外购由于 AC/DC 电 源是一种两级方案，因而其成本较高，并且控制也比 较复杂，目前主要应用于特定场合中 AC/DC 单级方案结构简单、成本低廉，并且由于使 用 PFC 控制芯片，可以实现高功率因数、低电流谐波 的技术要求本文将两相交错并联技术应用于电流临 界模式 PFC 反激变换器中，达到简化电路结构、降低 方案成本、并减小电流纹波的目的，说明了这种电路 架构在 LED 路灯电源具有的先进性与实用性2. 设计方案2.1. UCC28060/1的主要技术特点UCC28060/1 是一种两相自然交错并联 PFC 控制芯 片，提供诸多灵活性设计方案用于 PFC 电路，其具有 16 个外围管脚，参见图 1。

主要特征包括：降低 PFC 电路物理尺寸；改进 PFC 工作效率；并且降低 PFC 电路的设计成本具有相位管理功率，可以改进轻载 效率，帮助客户的产品满足能源之星、蓝色天使安吉 尔等世界能效标准要求；并且具有输入过压、输入欠压、反馈环开环保护、及输入电流冲击时峰值电流限 制等，这些保护可提高系统的可靠性图 1 UCC28060/1 管脚分布图 与传统 PFC 控制技术比较，UCC28060/1 具有更多 的创新之处这种控制器可工作于 85V-265V 宽输入 电压范围，并可应用于 100W-1000KW 宽输出功率范 围这个芯片的最大创新之处是内部含有两个临界模 式 PFC 控制功能单元，参见图 2；并能实现 180 度自 然交错并联功能严格保持 180 度的错相工作，可实 现低输入、输出电流纹波、及热分布平衡等优点，TI 拥有这方面的专利技术以确保维持 180 度交错并联图 2 UCC28060/1 内部功能方框图如图 3 所示的两相交错并联 PFC 电路，具有诸多优 点，参见图 3交错并联工作可以极大地降低输出电 流纹波，能够可使用低纹波电流等级的电解电容，因 而可实现电解电容的更小体积。

同时，由于更小的输 入电流纹波，可允许使用更小的 EMI 滤波器另外， PFC 输出轻载时，控制器可实现单相工作，可减小两 相交错并联工作时 MOSFET 的开关损耗图 3 UCC28060/1 的典型应用UCC28601 是 UCC28060 的改进版本，可以更加稳 定地适应更宽的输入电压范围；为了降低 PFC 电感的 音频噪音，UCC28601 轻载时不会进入间歇工作模式； 另外，UCC28601 为打嗝模式过压保护2.2. 交错并联反激的工作原理如图 4 所示，两相交错并联反激变换器由两个相对 独立的反激并联构成，并且相位相互错开 180 度两 个反激变换器均工作于电流临界模式，除了常规反激 变换器中的器件，即功率开关管、功率二极管及主电 感以外，共用一套输出电压反馈、保护、及主控制电 路，并且主控制芯片需要能实现高功率因数、低电流 谐波的技术要求，同时需要实现较好的均流效果图 4 交错并联反激变换器功率电路主架构2.3. 基于UCC28060/1的150W路灯电源设计方案如图 5 所示，这是一个完整的 150W LED 路灯电源 设计方案，除了含有去 UCC28060/1 构成的主控制电 路、及两相交错并联反激的功率电路之外，还包含输 入 EMI 滤波电路、交流整流桥、自供电电路、输出电 压反馈电路、及输入过压、输入欠压、及其他实的实 用保护电路。

150W LED 路灯电源的电气规格为，输入电压：85- 305Vac；输出电流：3A；输出电压：50V 左右(随 LED 的压降而定)这个设计方案中，两个主变压器 的磁芯为 PQ3230 PC40，变压器匝比为 40:11:4，为了 降低原边漏感，采用三明治绕法另外，两个功率主 开关管为 FQPF7N80；两个输出二极管为 SB10300； 并且，输出采用 4 个并联的 1000uF/63V 的电解电容图 5 150W LED 路灯设计方案3. 测试结果这个 150W LED 路灯电路设计方案进行了多项测试， 如功率因数、工作效率等，并已进行高温存储测试， 均能满足订定的电气规格要求 图 6 所示为输入冲击电流波形，测试条件为 264Vac 输入电压、输出满载 3A实测值为 14.4App，因而符 合 50App 的技术要求图 6 输入冲击电流图 7 所示为起动时的输出电压波形，测试条件为 220Vac 输入电压、输出满载 3A可明显看出，起动 时的输出电压为单调上升，未看到明显的过冲或过低 波形起机时间为 30.74ms，因而符合 300ms 的技术 要求图 7 起机时的输出电压图 8 为输出电压纹波，测试条件为 220Vac 输入电 压、输出满载 3A。

实测值为 2.662Vpp，因而符合 3Vpp 的技术要求图 8 输出电压纹波图 9 所示为输出满载 3A 时，不同输入电压下的效 率曲线可明显看出，输入电压 220Vac 时，电源可 达到 91.3%的最高效率；输入电压 85Vac 时，也可达 到大约 87%的最低效率86.0%87.0%88.0%89.0%90.0%91.0%92.0%100150180220305图 9 输出电压 3A 时的效率曲线图 10 所示为输出满载 3A 时，不同输入电压下的 PF 值可明显看出，输入电压 100Vac 时，PF 值为 0.991；输入电压 220Vac 时，PF 值为 0.941；输入电 压 305Vac 时，PF 值为 0.8570.8000.8500.9000.9501.000100150180220305图 10 输出电压 3A 时的 PF 值图 11 为传导 EMI 测试结果，测试条件为 230Vac 输入电压、输出满载 3A可明显看出，电源的传导 EMI 符合 EN55022 Class B 的技术要求图 11 传导 EMI4. 结论本文说明了两相交错并联反激变换器的工作原理， 反激变换器均工作于临界导通模式，控制芯片 UCC28060/1 的应用可实现 LED 电源低电流纹波、高 功率因数的技术要求。

通过一个 150W AC/DC LED 路灯电源的实际设计、测试，证明这种设计方案切实可行，并与常规两级功率结构相比，可实现更简洁的 电路设计、更低的成本要求参考文献[1]美国德州仪器半导体公司，UCC28060/1 产品规格书。