输入电路与PFC电路的设计与实现

150W大功率LED路灯驱动电源的输入级和PFC电路如图12-13所示，主要包括输入EMI滤波器、PFC和偏置电源/启动电路。

（1）EMI滤波器。由C₁和C₂、C₅和C₆分别构成两级共模电容器，前级用来抑制30MHz以上的共模噪声，后级可抑制中频范围内的谐振峰值。共模电感L₁和L₂分别用来抑制1MHz以下的低频、中频干扰。C₃和C₄为串模EMI滤波电容器。R₁～R₃为泄放电阻，当交流电源断开时可将C₃和C₄上储存的电荷泄放掉，避免操作人员因触及电源插头而受到电击。当电源刚通电时，负温度系数热敏电阻R_T可起到瞬间限流保护作用。当电源进入正常工作状态，主偏置电源到达规定值时，晶体管VT₃导通，其集电极输出电压U_JD为0V，通过继电器通/断控制线（Relay）给继电器线圈K接通电源（U_CC-0V），触点K吸合，将R_T短路，使之功耗降至零。仅在启动电源时，VT₃截止，Relay通/断控制线开路，使继电器线圈断电而释放，触点K被断开。采用这种设计方案，可使电源效率大约提高1%～1.5%。在继电器线圈两端并联续流二极管VD₈，可为反向电动势提供泄放回路，起到保护作用。

图12-13 150W大功率LED路灯电源的输入级和PFC电路

（2）PFC电路。输入整流桥（BR）采用GBJ806-F型8A/600V整流桥，C₇用来滤除功率开关管V₁产生的高频干扰。C₇宜选用低损耗、低阻抗的聚丙烯电容器，这种电容器可在功率开关管V₁和PFC电感L₄导通时提供较大的瞬间电流。

PFC控制环主要由PFC电感L₄、功率开关管V₁、整流管VD₂、滤波电容器C₉和C₁₀及相应的控制电路构成。从PLC810PG控制器GATEP端输出的PM信号，先经过VT₁和VT₂，再经过磁珠L₃缓冲后，驱动MOSFET功率管V₁。VT₁采用FMMT491型1A/60V的NPN型硅晶体管，VT₂选用FMMT591型1A/60V的PNP型硅晶体管，二者为互补管。V₁选择STW20NM50FD型N沟道20A/500V、通态电阻为0.22Ω的功率MOSFET，以提高PFC的效率。这种管子采用TO-247封装，便于接外部散热器。

连续模式的升压式功率因数校正电路由C₉，C₁₀，L₄，V₁、VD₂及控制电路构成，VD₂采用STTH8S06D型8A/600V超快恢复二极管，其反向恢复时间仅为12ns。BR输出的整流波形首先通过PFC电感L₄（引脚6-1），再经过VD₂和C₁₀获得直流高压U₊。V₁、VD₂均需要接散热器，散热器通过C₁₄接U_-，可消除由散热器引入的传导噪声。PFC电感用PQ32/20型铁氧体磁心，其相对磁导率μ_i=2300，饱和磁通密度B_s=390T，L₄的一次侧电感量为580μH。

与普通AC/DC变换器所不同，升压式功率因数校正电路是在整流桥与大容量滤波电容之间插入了PFC控制环，使交流输入电流能跟随交流输入电压，按正弦波规律同相位的变化。PLC810PG的PFC电感电流检测端ISP、PFC反馈端FBP，能分别接收交流输入电流波形、PFC输出直流电压这两个反馈信号，并通过PM信号控制V₁的导通与截止。由于PFC控制器采用关断占空比控制算法的连续导通模式，因此无须对交流输入电压进行检测。这是因为功率开关管的关断时间t_OFF与PFC电感的平均电流，即在若干个开关周期的电流平均值）和误差放大器输出电压（U_r）的乘积成比例关系，这样所获得的平均输入电流与输入为交流电压时产生的效果是相同的。(www.xing528.com)

PFC控制环的工作原理如下：在PM信号的控制下，当V₁导通时，VD₂因反向偏置而截止，整流后的正弦波电压U_I（ωt）给L₄储能。在此期间i_L4不断增大，电流上升率di_L4/dt与L₄值、此时U_I（ωt）的瞬时值及V₁的导通时间有关。当V₁截止时，L₄上的感应电压就叠加在U_I（ωt）上，起到升压作用，使VD₂导通，利用L₄上储存的电能对C₁₀充电并给负载供电。在此期间i_L4不断减小，其下降速率与L₄值、U_I（ωt）的瞬时值、输出负载及V₁的截止时间t_OFF有关。显然，当交流输入电压u以正弦规律变化时，控制电路只需用PM信号对V₁的通、断进行控制，即可使i_L4（即交流输入电流i），与脉动输入电压U_I（ωt）（亦即交流输入电压u的正半周）保持同相位且为相同的正弦波。实际上，只要开关频率足够高（这里将电源满载输出时的开关频率设计为100kHz）时，交流输入电流就必然是与交流输入电压波形及相位均相同的正弦波。

为提高电源效率并降低电磁干扰，R₇采用2.2Ω的低阻值电阻，并且在V₁的栅极与漏极上分别串联磁珠L₃和L₅。该电源所用磁珠（L₃、L₅～L₉），均可采用美国Fair-Rite公司生产的2643001501型铁氧体环形磁珠，其外形尺寸为ϕ3.5mm×3.25mm，孔径为ϕ1.6mm，25MHz时的阻抗为21Ω。L₄采用TDK公司生产的PQ32/20型环形磁心。

C₈为旁路电容。R₄、R₅为PFC的电流检测电阻。VD₃、VD₄为钳位二极管，一旦电源发生故障，可限制流入PLC810PG的ISP端的检测电流。

当电源刚接通交流电时，整流桥BR的输出电压就经过VD₁，给PFC的输出电容C₁₀充电。其作用是当PFC级开始工作时给流过L₄的浪涌电流提供旁路，防止L₄发生磁饱和而损坏V₁。C₉用来滤除高频环路干扰。

（3）偏置电源和启动电路。PFC电感L₄的结构比较特殊，它增加了一个辅助绕组（亦称偏置绕组），给PLC810PG提供偏置电压U_CC，使之能正常启动，因此L₄亦可起到变压器作用。另外，L₄的屏蔽层应接U-，以防止电磁噪声耦合到EMI滤波器上。偏置绕组的输出电压经过倍压整流滤波电路（VD₅、VD₆、C₁₁、C₁₂和R₈），可获得与输入电压保持独立的偏置电压。VD₅和VD₆均采用ES1D型1A/200V超快恢复二极管，反向恢复时间为25ns。

由VT₄、V₂、VT₅、VD_Z1～VD_Z3、VD₇、R₉～R₁₄和C₁₃构成偏置电源稳压器和启动电路。U_B+通过R₁₃、V2和C₁₃，给PLC810PG提供偏置电压U_CC。V₂采用STN1HNK60型0.4A/600V的N沟道场效应管。利用VD_Z2可对V₂的输出电压进行钳位保护。当主偏置电压到达规定值时，通过VT₃和继电器将热敏电阻R_T短路。由VT₅、R₁₄和VD_Z3构成射极跟随式稳压器，对U_CC起到稳压作用。VT₅采用BST52TA型0.5A/80V的达林顿管，其电流放大系数h_FE=1000（典型值）。稳压管VD_Z1（ZMM5242B-7）、VD_Z2（ZMM5247B-7）和VD_Z3（ZMM5245B-7）的稳压值分别为12V、17V和15V。