本文针对传统驱动电源电能损耗大、效率和智能化程度低的缺点，设计了一款适用于大功率LED路灯的高性能可智能控制型驱动电源。本文选择了多级驱动方案，即功率因数校正(PFC)电路、LLC谐振控制电路和多路恒流输出的三级式结构。本文采用合理的设计，优化了功率校正因数，增大了输入电压范围，提高了整机效率，使输出电流在全负载范围内更加稳定，同时增加了PWM调光控制功能，可根据外界环境的变化智能控制LED路灯的亮度，从而达到进一步节能减排的效果。
引言
由于具有高光效、长寿命、灯具效率高、环保和易于调光控制等优点，半导体照明是目前被各国公认为有发展前景的高效照明产业，被称作继白炽灯、荧光灯后照明光源的又革命[1]。我国推出的“十城万盏”计划[2]，使LED路灯得到了越来越多的应用。但是，LED路灯在取代传统路灯的道路上还有许多亟待解决的难题，主要包括光学设计、散热以及驱动电源等问题，同时智能控制和无线通信也成为LED路灯的研究重点。
本文采用多级驱动方案，使驱动具有较高的功率因数和效率，并解决了传统方案驱动器件多、成本高、体积大的缺陷。易于调光控制也是LED照明的一大优点，设计中采用了可PWM调光的模块，使得驱动电源具有智能控制的接口，便于在此基础上开发LED路灯智能照明控制系统。
1 系统结构
本系统采用3级驱动电路结构，系统结构图如图1，前级是功率因数校正电路，主要作用是采用谐波抑制技术限制谐波的含量。中间级是LLC谐振电路，完成隔离和降压功能，保证电路具有较高的转换效率。为恒流输出电路，为LED提供恒定的电流，同时具有PWM调光控制功能，通过智能控制系统来调节LED的亮度。
2 驱动电路原理及实现
2.1 PFC电路的设计
为了提高电能的利用率，现在一般的开关电源都需要在前级加入功率因数校正(PFC)电路[3]，其中升压PFC有源功率因数校正是成本效益的方法。本文采用PI公司推出的PFS708EG专用芯片，该芯片具有极高的集成度，集成了一个连续导通模式(CCM)升压PFC控制器、栅极驱动器、超低反向恢复二极管和高压功率MOSFET，采用了创新的恒定伏秒/安秒控制方法，可极大减少元器件数量、降低装配成本和布板尺寸[4]。图2所示为PFS708EG的典型应用图。
本设计采用一种恒定的安培-秒导通时间和恒定的伏-秒关断时间控制方法，该方法可以调节输出电压和整形输入电流以使其符合谐波电流限值(高功率因数)。即控制开关电流在导通时间内具有恒定的安培-秒从而使平均输入电流跟随输入电压，同时保持由升压电感器的电磁特性所决定的恒定的伏-秒平衡，从而调节输出的电压和功率。如下所示，设置关断时间(toff)的恒定伏-秒为：
上式表明，输入电流iIN正比于输入电压VIN，因此满足了对于功率因数校正的基本要求。
由上述原理可知，在升压PFC电路中电感L1用于当MOSFET导通时储存能量，而对于本设计中的连续导通模式，当MOSFET关断时只有一部分储存的能量被传递到输出电路。设计中所需的电感值的计算方式如下：
其中VO为PFC端的输出电压，VIN为PFC端瞬时输入电压，VMIN(PK)是低线路输入电压峰值，△I为纹波电流的峰峰值，FS为电路的开关频率，D为占空比。图中C2为PFC端输出电容，作为能量储存器为输出电压滤波，决定了输出电压的纹波，输出电容既要满足保持时间所需的电容值，也要求满足输出纹波的要求，其计算方式如下面两式所示，选取计算所得的较高电容值作为输出电容值。
2.2 LLC谐振电路设计
LLC谐振电路是LED路灯驱动电路的部分，LLC谐振电路是在传统串联和并联LC谐振电路的基础上产生的，它实现了软开关，具有较高的功率密度和效率。本设计采用PI公司生产的LCS702HG控制芯片，它集成了LLC控制器、上管和下管驱动器以及两个半桥MOSFET，此控制器通过改变频率，使得MOSFET在零电压时切换，消除了损耗，提高了效率，其高度的集成度减少外部元器件多达30个，降低了成本且减小了PCB面积[5]。其电路设计如图3所示。
LLC转换器要求在开关半周期之间具有固定的死区时间。如图3所示，连接于DT/BF引脚、VREF引脚和接地引脚之间的电阻分压器用于设定死区时间，启动频率以及脉冲阈值频率。FB引脚是反馈回路的频率控制输入端。频率与反馈引脚电流成正比。引脚HB的输出通过一个谐振电容C2驱动输出变压器T1，该电容用于确定工作纹波电流和在故障条件下能够承受的高电压。
变压器T1的漏感设计为50μH，这样和谐振电容C2一起确定了初级串联谐振频率，如下式所示：
其中fR为串联谐振频率，LL为变压器漏感，CR为谐振电容器的值。
为实现成本和尺寸，采用~250KHz的额定工作频率，这样可以使用较低成本的陶瓷电容来代替点解电容，延长驱动电路的寿命。
2.3 恒流输出电路设计
由LED的发光原理可知，LED驱动电源更适合采用恒流输出的方式[6]。本设计采用TI公司的LM3406HV作为控制芯片，LM3406HV采用受控导通时间结构，该结构可以确保无论输入及输出电压如何变动，开关频率都恒定不变，因此LM3406HV的输出电流极为准确，瞬态响应也极快。LM3406HV支持PWM调光，可以使用专用逻辑引脚或者PWM开关电源来实现[7]。图4是LM3406HV的典型应用图。
如图4所示，导通时间ton可通过外部电阻Ron、输入电压VIN和输出电压VO设置，导通时间由以下公式确定：
DIM引脚是一个PWM调光输入引脚，当输入为低电平(小于0.8V)时将会禁止内部MOSFET，同时关断流向LED的电流。调光频率和占空比由LED电流上升时间和下降时间以及激活DIM引脚的延迟所限制，在一般情况下，调光频率应该比稳态开关频率低至少一个数量级以防止混叠。
3 实验结果
设计一个输入电压范围为90VAC~265VAC，输出功率为150W，输出为5路输出，电流为0.7A的测试样机。测试样机的主要技术参数为：1)PFC电路L1=1.80mH，C1=120μF;2)LLC谐振电路谐振电容CR=6.2nF，RFMAX=36.5kΩ，RBURST=5.11KΩ;3)恒流电流RON=143KΩ，CIN=4.7μF，RSNS=0.29Ω，L1=33μH。
3.1 功率校正因数测试结果与分析
图5是在输入50Hz交流正弦波电源，负载为50%和100%的情况下，PF值随输入电压的变化曲线，由图可知，在220VAC范围内，PF值都可以达到0.9以上，在满载的情况下更是基本达到0.98。可见本设计具有较高的功率校正因数，极大地提高了LED路灯驱动电源的性能。
3.2 驱动电路效率的测试结果和分析
图6是LED驱动电源前两级(PFC与LLC谐振电路)的效率曲线，如图所示，在输入电压范围内，在50%和100%负载下，效率都达到0.9以上。同时在正常工作电压下，即48V的情况下，恒流模块的效率达到了0.96，也达到了较优的性能。由上述可知本设计具有较高的效率，减少了电路的损耗。
3.3 智能控制调光测试结果与分析
通过外围检测电路和智能控制对驱动电路输入PWM信号，如下图所示，图7(a)所示为调光占空比为10%时一路LED的状态，图7(b)是调光占空比为50%一路LED的状态。由此可见，该驱动电源可实现PWM调光的功能。
4 结论
智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。所以本文提出了一种高性能多路输出的可PWM调光的大功率LED路灯驱动电路，以适用于需要智能化和网络化控制的LED路灯控制系统。
参考文献：
[1]程伊炳，金尚忠. 基于多路输出的高效LED驱动器的分析和仿真[J]. 照明工程学报，2013，4(2)：66 - 70
[2]叶峰. LED在道路照明中的应用现状与趋势[J]. 照明工程学报，2012，4(2)：29-32
[3]梁国辉，谢谦，王曾等. 基于LLC谐振的多路输出LED路灯恒流驱动电路[J]. 微电子学，2011，10(5)：668 - 671
[4]Power Integration. Application Note AN-53 [R]. March 2011
[5]Power Integration. Application Note AN-55 [R]. September 2011
[6]莫蒂尔. LED照明应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社，2011
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