大功率LED照明电源的设计及EMC研究
发布时间:2021-02-22 15:09:21

  摘要:本文介绍了大功率LED(发光二极管Light-EmittingDiode)照明系统的发展现状及前景,设计了一款带功率因数校正的LED驱动电源,此照明电源采用半桥谐振转换器TEA1713为核心控制器,集成各功能子电路,输入交流电压范围为90~265V,可以驱动负载电压为33V、负载电流为1.8~2.4A的大功率LED照明灯。并通过电磁干扰的三要素:干扰源、传输途径和敏感设备对此电源的EMC(ElectromagneticCompatibility电磁兼容性)测试情况进行了研究,就设计中应该注意的事项和要领作了简要分析。

  1.引言

  LED(发光二极管Light-EmittingDiode)技术日趋成熟,其在灯具产业的发展也已成为主要趋势,为节能灯具的进步带来了广阔的应用前景。LED照明具有节能、高效、环保、寿命长等优点,尤其以大功率LED灯具为代表的照明产品在照明市场的发展前景十分可观。但是其固有的弱点也不容忽视:高温环境会导致其电解电容寿命缩短,进而影响输出带负载的能力,容易降低LED灯具的使用率。为克服这些缺点,本设计采用TEA1713(半桥谐振转换器)电源驱动芯片为核心控制器,而且对于大功率应用,一般要降低电源谐波,所以加以相应的外围电路,组成了无电解电容的高功率LED驱动电源[1]。

  2.总体结构设计

  根据设计需求,LED灯具的驱动电源总体结构如图1所示:

  LED驱动电源总体框图

  图1LED驱动电源总体框图

  2.1主电路结构介绍

  TEA1713(半桥谐振转换器)集成了PFC控制器(PowerFactorCorrectionController功率因数校正控制器)和谐振控制器,在电路设计时避免了电解电容的使用,具有功率因数校正和连续电流控制等功能。可以设计出具有低成本优势、寿命长的LED驱动电源,其功率因数可达0.9,具有电源效率高调光范围宽等优点,还可使上电过程快速平滑,实现无闪烁工作。

  工作原理为:开关管被高频脉冲宽度调制信号控制,在驱动电源工作时,功率开关管处于导通或关断状态,其上有一个由半导体器件开关损耗所产生的很小的功率。在工作过程中,输入直流电压通过斩波形成幅值相等的脉冲电压,脉冲电压占空比由控制器进行调节,交流方波的幅值则通过变压器来调节;另外,通过增加变压器的二次绕组数来实现输出的电压组数,最后再经过整流滤波,即实现了交流电变为直流电[2]。

  驱动控制器的原理等同于一个误差放大器,其作用是保持输出稳定,在功率开关管之前加入一个电压脉冲转换单元,开关变压器次级来感应高频电压,经整流滤波后输送给负载,控制电路接受反馈环路的输出来控制PWM的占空比,最后实现稳定输出。

  2.2TEA1713介绍

  TEA1713半桥谐振转换器将功率因数校正(PFC)、容性模式保护和自适应式死区时间控制等多种功能集成于一体,两种控制器集成后配合更方便,最大程度减少了外部器件数量(无需连接控制器接口),为用户解决降低电源谐波问题提供了有效的解决方案。

  TEA1713具有自启动功能和多种保护功能:如输入过压保护可确保电源对输入电压故障和浪涌的耐受能力;输出过压保护可避免电源在负载突然断开时可能对其造成的损坏;迟滞热关断功能显著,可确保PCB板的平均温度在所有条件下都处于一定的安全范围[3]。

  本设计所采用的拓扑结构具有初级检测和调节输出电流的功能,能够确保该驱动电源的高功率因数和低谐波电流。其中,因为芯片内部已集成了电流检测电路,所以初级侧不再设计外围检测电路,从而降低了元件和功率损耗。其模式为隔离反激并且连续导通,此模式避免了在设计中配备次级光耦反馈元件以及次级电流检测传感器,有利的简化了电路设计。

  3.电路设计

  3.1反激式变换器电路

  反激式变换器电路的功率范围能够较好的满足设计要求,具有成本低、电路简单、可靠性高等优点,其以TEA1713为核心,工作原理为:当功率开关管导通时,电能首先储存在高频变压器的初级绕组上,在开关管关断时才向次级输送电能。值得注意的是如何解决其效率低的问题,通常选择软开关技术和或三明治方式绕制变压器的方法。其拓扑结构如图2所示。

  图2反激式变换器电路

  图2反激式变换器电路

  在技术指标中,要求本电源输入电压适用于AC85V~265V输入的电压范围,电压大且范围可调,还要求有较高的稳流精度,因此不容忽视电流谐波及噪声产生的影响,所以增加了滤波电路。

  3.2输入滤波

  输入滤波电路中包括保险丝、压敏电阻、共模电感LF1和LF2和滤波电容。其中,压敏电阻的作用是箝位差模浪涌测试期间可能产生的最大电压,可以较好地防止雷击浪涌冲击;滤波电容中包含X电容和去耦电容,X电容主要用来滤除串模干扰,容量一般为0.01uF-0.47uF;去耦电容能为初级开关电流提供低阻抗通路;二极管整流桥对AC线电压进行整流,该电路能够较好的抑制共模和差模纹波干扰[3]。另外,为保证功率因数在0.9以上,电容量不宜太大,不然会增大漏电流,影响耐电压测试。

  3.3反馈电路

  反馈控制受误差和温度漂移的影响,偏置绕组电压用来间接地反映输出电压的高低。如光电耦合器的电流传送比Iout/Iin(I输出/I输入),其会随温度而漂移,也会随着工作时间的增加而逐渐变差。在本设计电路中,用电阻进行误差调整,将偏置电压转换为电流注入至U1的反馈(FB)引脚。

  3.4输出整流

  由漏感和分布电容引起的高频方波电压在瞬变时会产生尖峰电压或浪涌电流,进而引起脉冲顶部震荡,由此可能会带来诸多不利后果,如峰值电压过高、增加损耗及破坏开关管等,所以要减少漏感和分布电容。另外,降低分布电容还可抑制高频信号对负载的干扰。针对损耗问题,可选择肖特基势垒二极管用以提高效率。由电容进行输出滤波,其总值可使LED纹波电流等于平均值的40%。

  3.5有源衰减和无源泄放电路

  对于由可控硅触发不一致而产生调光范围受限和/或闪烁的不良情况及可控硅导通时浪涌电流产生的严重振荡,通过有源衰减电路及无源泄放电路来解决[4]。其中,有源衰减电路该电路可以限制可控硅导通时流入电容并对其充电的浪涌电流。无源泄放电路的作用是使输入电流始终大于可控硅的维持电流,防止可控硅在每个导通角度的起始阶www.tiepuyi.com段出现开关振荡。对于非调光应用,可以省略这两个电路。

  4.电源的EMC测试

  电磁骚扰引起的设备或系统性能的下降被称为电磁干扰。干扰源、传输途径和敏感设备是电磁干扰发生必备的3要素。在电子设备硬件中如线缆、电感、电容、电阻、PCB板的印制线、互感元件、接地平板、内部导线等都具有天线功能,这些元件能够以多种方式如电场、磁场或电磁场等传输能量,在工作过程中将这些能量耦合到线路中,干扰设备的正常运行[5]。

  在该驱动电源的EMC测试中,设备和EUT都已可靠接地,在调试中改变了共模电感和安规电容的布线位置。测试频率范围为9kHz~30MHz,测试数据如图3所示。测试图中,红色线为标准线(红线1表示峰值限值,红线2表示平均值限值),蓝线3表示峰值测量值,绿线4表示平均值测量值。判断依据为:当绿色波形位于红色线1以下,且蓝色波形位于红色线2以下,并有3dB以上裕量为测试合格。

  图3电源端子骚扰电压初测结果

  图3电源端子骚扰电压初测结果

  从图3的测试曲线来看,电源端子骚扰电压的初测结果超标比较严重,尤其是在0.1MHz~1MHz的频段,最大超标幅度超过十几dB,而且该LED灯的驱动电源为恒流开关电源,可能存在的原因有:开关电源的差模滤波可能不够,导致在0.1MHz~1MHz的频段测试曲线超过限制,所以应该考虑如何对差模干扰进行降噪;另外驱动电源内部存在高频干扰源、内部线缆过长或电路板接地不良等也是造成限制超标的原因,所以需要检查样机内部结构和电路板走线,才能给出相应的解决措施[6]。

  对样机内部的每条走线进行梳理,依据的原则为[7]:输入线与输出线尽量分离;高频信号线和低频信号线尽量分离,还应注意软开关技术在开关电源中的应用,印刷电路板布线的电磁兼容设计等。在采取了上述措施之后,重测电源端子骚扰电压,测试结果如图4所示(各色曲线表示如图3)。

  图4电源端子骚扰电压重测结果

  图4电源端子骚扰电压重测结果的频率点都得到了很大改善。

  在室温下对该驱动电源效率进行全电压范围测试,通过测试结果可以看出电源的全电压范围内输出效率在80%以上,且输出电流非常稳定。测试结果见表1。

  频率Hz

  Vin(VAC)

  (输入电压)

  Pin (W)

  (输入功率)

  Vout (V)

  (输出电压)

  Iout (A)

  (输出电流)

  Pout (W)

  (输出功率)

  效率

  (%)

  PF值

  (功率因数)

  50

  90

  91.03

  33.82

  2.395

  80.9

  80

  0.92

  50

  100

  90.77

  33.81

  2.394

  81

  81

  0.92

  50

  125

  90.64

  33.76

  2.395

  80.8

  82

  0.92

  50

  140

  90.56

  33.75

  2.39

  80.7

  82

  0.92

  50

  165

  90.81

  33.73

  2.388

  80.6

  81

  0.92

  60

  180

  90.78

  33.77

  2.387

  80.61

  82

  0.98

  60

  215

  90.71

  33.69

  2.386

  80.49

  82

  0.98

  60

  230

  90.72

  33.71

  2.387

  80.6

  83

  0.98

  60

  245

  90.41

  33.70

  2.39

  80.45

  85

  0.98

  60

  265

  90.41

  33.70

  2.39

  80.4

  85

  0.98

  表1电源效率测试表

  5.结论

  本文设计的大功率LED驱动电源,避免了电解电容长时间工作失效的问题,同时具有功率因数自校正功能,其以高效率、高功率因数的性能完全可以满足市场对普及LED灯照明的需求,有着广泛的应用前景和重要的实用价值。另外,针对该电源在EMC测试中遇到的一些问题,本文给出了相应的整改思路并进行了试验验证,效果良好,可为后续LED驱动电源的EMC测试提供参考。但LED照明的广泛普及是一个综合性的问题,LED驱动电源只是其中一个组成部分,除此之外,还应把传统照明行业的知识,LED器件知识等各方面因素进行综合考虑才能为节能灯具的应用提供广阔的发展空间。

  作者简介:孔强强(1985—)男,山东邹城人,硕士,工程师,主要从事灯具性能与安规检测、整改研究等工作。


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