摘要：本文介紹了大功率LED（發(fā)光二極管Light-EmittingDiode）照明系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景，設(shè)計(jì)了一款帶功率因數(shù)校正的LED驅(qū)動(dòng)電源，此照明電源采用半橋諧振轉(zhuǎn)換器TEA1713為核心控制器，集成各功能子電路，輸入交流電壓范圍為90~265V，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載電壓為33V、負(fù)載電流為1.8~2.4A的大功率LED照明燈。并通過(guò)電磁干擾的三要素：干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備對(duì)此電源的EMC(ElectromagneticCompatibility電磁兼容性)測(cè)試情況進(jìn)行了研究，就設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)和要領(lǐng)作了簡(jiǎn)要分析。

1.引言

LED（發(fā)光二極管Light-EmittingDiode）技術(shù)日趨成熟，其在燈具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也已成為主要趨勢(shì)，為節(jié)能燈具的進(jìn)步帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用前景。LED照明具有節(jié)能、高效、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其以大功率LED燈具為代表的照明產(chǎn)品在照明市場(chǎng)的發(fā)展前景十分可觀。但是其固有的弱點(diǎn)也不容忽視：高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其電解電容壽命縮短，進(jìn)而影響輸出帶負(fù)載的能力，容易降低LED燈具的使用率。為克服這些缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用TEA1713(半橋諧振轉(zhuǎn)換器)電源驅(qū)動(dòng)芯片為核心控制器，而且對(duì)于大功率應(yīng)用，一般要降低電源諧波，所以加以相應(yīng)的外圍電路，組成了無(wú)電解電容的高功率LED驅(qū)動(dòng)電源[1]。

2.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，LED燈具的驅(qū)動(dòng)電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1LED驅(qū)動(dòng)電源總體框圖

2.1主電路結(jié)構(gòu)介紹

TEA1713（半橋諧振轉(zhuǎn)換器）集成了PFC控制器（PowerFactorCorrectionController功率因數(shù)校正控制器）和諧振控制器，在電路設(shè)計(jì)時(shí)避免了電解電容的使用，具有功率因數(shù)校正和連續(xù)電流控制等功能?？梢栽O(shè)計(jì)出具有低成本優(yōu)勢(shì)、壽命長(zhǎng)的LED驅(qū)動(dòng)電源，其功率因數(shù)可達(dá)0.9，具有電源效率高調(diào)光范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，還可使上電過(guò)程快速平滑，實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍工作。

工作原理為：開關(guān)管被高頻脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制，在驅(qū)動(dòng)電源工作時(shí)，功率開關(guān)管處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，其上有一個(gè)由半導(dǎo)體器件開關(guān)損耗所產(chǎn)生的很小的功率。在工作過(guò)程中，輸入直流電壓通過(guò)斬波形成幅值相等的脈沖電壓，脈沖電壓占空比由控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，交流方波的幅值則通過(guò)變壓器來(lái)調(diào)節(jié)；另外，通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出的電壓組數(shù)，最后再經(jīng)過(guò)整流濾波，即實(shí)現(xiàn)了交流電變?yōu)橹绷麟奫2]。

驅(qū)動(dòng)控制器的原理等同于一個(gè)誤差放大器，其作用是保持輸出穩(wěn)定，在功率開關(guān)管之前加入一個(gè)電壓脈沖轉(zhuǎn)換單元，開關(guān)變壓器次級(jí)來(lái)感應(yīng)高頻電壓，經(jīng)整流濾波后輸送給負(fù)載，控制電路接受反饋環(huán)路的輸出來(lái)控制PWM的占空比，最后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

2.2TEA1713介紹

TEA1713半橋諧振轉(zhuǎn)換器將功率因數(shù)校正(PFC)、容性模式保護(hù)和自適應(yīng)式死區(qū)時(shí)間控制等多種功能集成于一體，兩種控制器集成后配合更方便，最大程度減少了外部器件數(shù)量（無(wú)需連接控制器接口），為用戶解決降低電源諧波問(wèn)題提供了有效的解決方案。

TEA1713具有自啟動(dòng)功能和多種保護(hù)功能：如輸入過(guò)壓保護(hù)可確保電源對(duì)輸入電壓故障和浪涌的耐受能力；輸出過(guò)壓保護(hù)可避免電源在負(fù)載突然斷開時(shí)可能對(duì)其造成的損壞；遲滯熱關(guān)斷功能顯著，可確保PCB板的平均溫度在所有條件下都處于一定的安全范圍[3]。

本設(shè)計(jì)所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有初級(jí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)輸出電流的功能，能夠確保該驅(qū)動(dòng)電源的高功率因數(shù)和低諧波電流。其中，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部已集成了電流檢測(cè)電路，所以初級(jí)側(cè)不再設(shè)計(jì)外圍檢測(cè)電路，從而降低了元件和功率損耗。其模式為隔離反激并且連續(xù)導(dǎo)通，此模式避免了在設(shè)計(jì)中配備次級(jí)光耦反饋元件以及次級(jí)電流檢測(cè)傳感器，有利的簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

3.電路設(shè)計(jì)

3.1反激式變換器電路

反激式變換器電路的功率范圍能夠較好的滿足設(shè)計(jì)要求，具有成本低、電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其以TEA1713為核心，工作原理為：當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電能首先儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組上，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)才向次級(jí)輸送電能。值得注意的是如何解決其效率低的問(wèn)題，通常選擇軟開關(guān)技術(shù)和或三明治方式繞制變壓器的方法。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2反激式變換器電路

在技術(shù)指標(biāo)中，要求本電源輸入電壓適用于AC85V～265V輸入的電壓范圍，電壓大且范圍可調(diào)，還要求有較高的穩(wěn)流精度，因此不容忽視電流諧波及噪聲產(chǎn)生的影響，所以增加了濾波電路。

3.2輸入濾波

輸入濾波電路中包括保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、共模電感LF1和LF2和濾波電容。其中，壓敏電阻的作用是箝位差模浪涌測(cè)試期間可能產(chǎn)生的最大電壓，可以較好地防止雷擊浪涌沖擊；濾波電容中包含X電容和去耦電容，X電容主要用來(lái)濾除串模干擾，容量一般為0.01uF-0.47uF；去耦電容能為初級(jí)開關(guān)電流提供低阻抗通路；二極管整流橋?qū)C線電壓進(jìn)行整流，該電路能夠較好的抑制共模和差模紋波干擾[3]。另外，為保證功率因數(shù)在0.9以上，電容量不宜太大，不然會(huì)增大漏電流，影響耐電壓測(cè)試。

3.3反饋電路

反饋控制受誤差和溫度漂移的影響，偏置繞組電壓用來(lái)間接地反映輸出電壓的高低。如光電耦合器的電流傳送比Iout/Iin（I輸出/I輸入），其會(huì)隨溫度而漂移，也會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而逐漸變差。在本設(shè)計(jì)電路中，用電阻進(jìn)行誤差調(diào)整，將偏置電壓轉(zhuǎn)換為電流注入至U1的反饋(FB)引腳。

3.4輸出整流

由漏感和分布電容引起的高頻方波電壓在瞬變時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓或浪涌電流，進(jìn)而引起脈沖頂部震蕩，由此可能會(huì)帶來(lái)諸多不利后果，如峰值電壓過(guò)高、增加損耗及破壞開關(guān)管等，所以要減少漏感和分布電容。另外，降低分布電容還可抑制高頻信號(hào)對(duì)負(fù)載的干擾。針對(duì)損耗問(wèn)題，可選擇肖特基勢(shì)壘二極管用以提高效率。由電容進(jìn)行輸出濾波，其總值可使LED紋波電流等于平均值的40%。

3.5有源衰減和無(wú)源泄放電路

對(duì)于由可控硅觸發(fā)不一致而產(chǎn)生調(diào)光范圍受限和/或閃爍的不良情況及可控硅導(dǎo)通時(shí)浪涌電流產(chǎn)生的嚴(yán)重振蕩，通過(guò)有源衰減電路及無(wú)源泄放電路來(lái)解決[4]。其中，有源衰減電路該電路可以限制可控硅導(dǎo)通時(shí)流入電容并對(duì)其充電的浪涌電流。無(wú)源泄放電路的作用是使輸入電流始終大于可控硅的維持電流，防止可控硅在每個(gè)導(dǎo)通角度的起始階段出現(xiàn)開關(guān)振蕩。對(duì)于非調(diào)光應(yīng)用，可以省略這兩個(gè)電路。

4.電源的EMC測(cè)試

電磁騷擾引起的設(shè)備或系統(tǒng)性能的下降被稱為電磁干擾。干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備是電磁干擾發(fā)生必備的3要素。在電子設(shè)備硬件中如線纜、電感、電容、電阻、PCB板的印制線、互感元件、接地平板、內(nèi)部導(dǎo)線等都具有天線功能，這些元件能夠以多種方式如電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)等傳輸能量，在工作過(guò)程中將這些能量耦合到線路中，干擾設(shè)備的正常運(yùn)行[5]。

在該驅(qū)動(dòng)電源的EMC測(cè)試中，設(shè)備和EUT都已可靠接地，在調(diào)試中改變了共模電感和安規(guī)電容的布線位置。測(cè)試頻率范圍為9kHz～30MHz，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。測(cè)試圖中，紅色線為標(biāo)準(zhǔn)線（紅線1表示峰值限值，紅線2表示平均值限值），藍(lán)線3表示峰值測(cè)量值，綠線4表示平均值測(cè)量值。判斷依據(jù)為：當(dāng)綠色波形位于紅色線1以下，且藍(lán)色波形位于紅色線2以下，并有3dB以上裕量為測(cè)試合格。

圖3電源端子騷擾電壓初測(cè)結(jié)果

從圖3的測(cè)試曲線來(lái)看，電源端子騷擾電壓的初測(cè)結(jié)果超標(biāo)比較嚴(yán)重，尤其是在0.1MHz～1MHz的頻段，最大超標(biāo)幅度超過(guò)十幾dB，而且該LED燈的驅(qū)動(dòng)電源為恒流開關(guān)電源，可能存在的原因有：開關(guān)電源的差模濾波可能不夠，導(dǎo)致在0.1MHz～1MHz的頻段測(cè)試曲線超過(guò)限制，所以應(yīng)該考慮如何對(duì)差模干擾進(jìn)行降噪；另外驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部存在高頻干擾源、內(nèi)部線纜過(guò)長(zhǎng)或電路板接地不良等也是造成限制超標(biāo)的原因，所以需要檢查樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路板走線，才能給出相應(yīng)的解決措施[6]。

對(duì)樣機(jī)內(nèi)部的每條走線進(jìn)行梳理，依據(jù)的原則為[7]：輸入線與輸出線盡量分離；高頻信號(hào)線和低頻信號(hào)線盡量分離，還應(yīng)注意軟開關(guān)技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用，印刷電路板布線的電磁兼容設(shè)計(jì)等。在采取了上述措施之后，重測(cè)電源端子騷擾電壓，測(cè)試結(jié)果如圖4所示（各色曲線表示如圖3）。

圖4電源端子騷擾電壓重測(cè)結(jié)果的頻率點(diǎn)都得到了很大改善。

在室溫下對(duì)該驅(qū)動(dòng)電源效率進(jìn)行全電壓范圍測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出電源的全電壓范圍內(nèi)輸出效率在80%以上，且輸出電流非常穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1電源效率測(cè)試表

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源，避免了電解電容長(zhǎng)時(shí)間工作失效的問(wèn)題，同時(shí)具有功率因數(shù)自校正功能，其以高效率、高功率因數(shù)的性能完全可以滿足市場(chǎng)對(duì)普及LED燈照明的需求，有著廣泛的應(yīng)用前景和重要的實(shí)用價(jià)值。另外，針對(duì)該電源在EMC測(cè)試中遇到的一些問(wèn)題，本文給出了相應(yīng)的整改思路并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好，可為后續(xù)LED驅(qū)動(dòng)電源的EMC測(cè)試提供參考。但LED照明的廣泛普及是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，LED驅(qū)動(dòng)電源只是其中一個(gè)組成部分，除此之外，還應(yīng)把傳統(tǒng)照明行業(yè)的知識(shí)，LED器件知識(shí)等各方面因素進(jìn)行綜合考慮才能為節(jié)能燈具的應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展空間。

作者簡(jiǎn)介：孔強(qiáng)強(qiáng)（1985—）男，山東鄒城人，碩士,工程師，主要從事燈具性能與安規(guī)檢測(cè)、整改研究等工作。