摘要：美国Power Integretions（PI）公司推出一种将功率因数校正（PFC）控制器、电感—电感—电容（LLC）半桥谐振控制器和功率MOSFET（栅极）驱动器集成在同一芯片和同一封装内的PLC810PG新型IC。采用PLC810PG的150W LED路灯电路，输入电流总谐波失真（THD）<7.5%，线路功率因数（PF）≥0.97，输出48V/3.125A，电路总效率ytotal>92%，传导EMI满足EN5SO228/CISPR22B规范要求，安全性符合IEC950/UL1950（II类）规定。
关键词：PLC810PG；PFC/LLC控制IC；150W LED路灯；输入140~265VAC；输出48V/3.125A；高效率；高PF；高可靠
0、前言
近两三年以来，LED的应用已扩展到照明领域，LED道路照明是目前研究的热点之一。用LED阵列和模块取代道路照明应用的传统电光源（如高压钠灯管），面临许多技术问题需要解决。这些问题主要是LED路灯供电技术，LED路灯模块技术和LED路灯灯具技术等。
LED路灯供电电源有两种主要方式：一种是使用交流（AC）市电供电；另一种是利用太阳能供电。当使用工频市电电源（如220/110V，50/60Hz）为LED路灯供电时，需要将AC高压转换为低压恒流直流（DC）电压。最简单的AC/DC转换方案是使用AC降压变压器加整流稳压电路，其优点是电路简单，元件数量较少，成本较低，但其性能却不能满足许多规范要求。LED路灯功率通常远大于75W，当采用开关电源拓扑结构时，必须满足IEC61000-3-2等标准关于D类设备电流谐波限制性规定，同时还必须符合对C类（照明）设备的电流谐波限量要求和“能源之星”等规范对功率因数（PF）不能低于0.9的要求。为达此目的，LED路灯电源必须采用功率因数校正（PFC），同时还要求采用支持相应功率的电源拓扑结构。美国PI公司推出一种型号为PLC810PG的PFC/LLC组合控制IC，支持150~600W的LED路灯电源、32至60 LCD TV电源和PC主电源及工作站电源。
PLC810PG采用24引脚窄体塑料封装，符合欧盟RoHS指令要求。PLC810PG集成了PFC/LLC控制器和PFC MOSFET（栅极）驱动器及半桥高/低端MOSFET（栅极）驱动器，PFC与LLC频率和相位同步化，具有过电压、电压过低、过电流保护和软启动等功能，为目前设计LED路灯电源提供了一种重要的解决方案。
1、基于PLC810PG的150W LED路灯电源电路及其工作原理
采用PLC810PG的150W LED路灯电源电路如图1所示。
图1所示的LED路灯电源分为输入电路、PFC升压变换器和LLC谐振转换器等几个主要部分。
1.1 输入电路、PFC级主电路及偏置电源
LED路灯电源的输入滤波器、桥式整流器（BR1）、连续模式（CCM）PFC升压变换器功率级和控制IC的偏置电源电路显示在图1（a）中。
1.1.1 EMI滤波器
C1~C6和L1、L2及R1~R3组成EMI滤波器。C1和C5连接在相线L和中线N之间，用于保护地（E），同时用于控制高频（>30MHz）噪声。C3和C4提供差模EMI滤波。共模电感器L1、L2控制低频和中频（<10MHz）EMI，C2和C6控制中频区中的谐振峰值。当交流（AC）电源切断时，R1、R2和R3为EMI电容放电提供通路，以满足安全要求。
PFC电感器L4有一个接地屏蔽带，能阻止静电和磁噪声耦合到EMI滤波器元件中。PFC开关Q2（MOSFET）散热器经电容C80连接到初级地（B-），消除了散热器作为传导噪声源进入机壳底板。
1.1.2 输入保护
F1是保险丝，起短路保护作用。RV1用作过电压保护。RT1是NTC热敏电阻，在电路启动期间限制浪涌电流。当电路启动之后进入正常操作时，继电器动作，将热敏电阻短路，由于RT1没有电流通过，使电路效率至少能提高1%。
1.1.3 PFC升压变换器主电路
L4、升压二极管D2、PFC开关Q2、输出电容C9等，组成连续电流模式（CCM）PFC升压变换器主电路。在AC输入电压范围为140~265V时，PFC输出直流（DC）升压电压（VB+）稳定在385V，并且在桥式整流器BR1输入端产生正弦电流，使系统呈现纯电阻性负载，线路功率因数接近于1。
Q1和Q3等组成Q2的缓冲级。Q2栅极和漏极分别串接了铁氧体磁珠，可以改善EMI。
R6和R8是PFC级电流传感电阻。连接在R6和R8上的二极管D3和D4，在浪涌期间箝位（箝位电压为D3和D4的正向压降，约0.7V×2=1.4V），R6和R8上的电压以保护U1（PLC810PG）的电流感测输入。
在系统加电时，对C9的充电电流通过二极管D1，而没有浪涌电流通过L4，这就避免了L4出现饱和的可能性。PFC级输入小电容C7用作旁路高频成分，C7宜选择低损耗丙乙烯电容器。电容C11用作减小Q2、D2和C9等高频环路元件的EMI。
1.1.4 偏置电源与启动电路
偏置电源高频信号来源于L4的副绕组（即偏置绕组）。D22、D23、R109、C75、C76组成倍压整流滤波电路。Q24、Q25、Q27和齐纳（稳压）二极管VR9、VR10、VR11等组成偏置稳压器和启动电路。在系统通电后，BR1输出经R113和Q24、D24对C70充电，为控制器U1（PLC810PG）提供启动偏置，晶体管Q27、R111和VR9形成简单射极跟随稳压器。当偏置电压Vcc达到稳压值时，Q25关断启动电路，同时Q26导通，接通继电路RL1，将热敏电阻RT1短路。
1.2 PFC/LLC控制电路及LLC转换器
PFC电路控制输入及LLC变换器电路见图1(b)。
1.2.1 PFC控制电路
U1引脚GATEP上的PWM输出经R44驱动Q1、Q3和Q2。R6和R8上的电流传感信号经R45、C73低通滤波，输入到U1的ISP引脚，以执行PFC控制算法，提供过电流保护。PFC输出电压VB+（385V）经R39~41、R43、R46和R50组成的分压器检测，并经C25滤除噪声，输入到U1引脚FBP，用作对输出电压VB+进行调节，并提供过电压和电压过低保护。U1引脚VCOMP外部元件，用作频率补偿。
1.2.2 控制器U1电源与地隔离
Vcc经电阻R37、R38加至U1引脚VCC和VCCL，将U1的模拟和数字供电分离。引脚VCCL为U1中半桥低端（下桥）驱动器供电，而半桥高端（上桥）驱动器则由自举二极管D8、电容C23和电阻R42供电，并从引脚VCCHB施加。电容C29、C32和C31分别为U1引脚VCC和VCCL提供退耦和旁路。
R55、铁氧体磁珠L7为FPC和LLC地（GND和GNDL）提供隔离。磁珠L6在Q10源极（驱动回复）与U1之间提供高频隔离。
1.2.3 LLC谐振转换器
（1）LLC输入级
Q10和Q11是LLC转换器的半桥高/低端MOSFET，它们由U1经电阻R56和R58直接驱动。C39是变压器T1初级谐振电容，它与T1初级形成谐振槽路。由于谐振电感器已结合进T1初级绕组线圈中，这种电路仍被称为LLC谐振槽路，而不将其称作LC谐振槽路。电容C40被安置到邻近的Q10和Q11，用于旁路。
（2）LLC输出级
变压器T1次级输出经D9和C37、C38整流滤波提供48V的输出，为LED路灯供电。T1次级串接的铁氧体磁珠，用作抑制高频噪声。
（3）LLC控制电路
连接在T1初级绕组下端和Q11源极之间的R59是电流传感电阻。R59上的电流感测信号经R47、C35滤波输入到U1引脚ISL，以执行快速和慢速两电平过电流保护。
48V的输出被电阻R67、R66分压采样，经2.5V稳压器U3、光电耦合器U2、R54、D16、R53等，输入到U1的FBL引脚，以履行闭环反馈，进行输出电压调节，并提供过电压保护，开关频率与馈入引脚FBL的电流有关，流入引脚FBL的电流越大，LLC级的工作频率也就越高。LLC最高开关频率由连接在U1引脚FMAX与VRFE之间的电阻设定，可以为200~300KHz。开关频率下限由电阻R47、R51和R53设定。适当选择R52和R53，可以在轻载或无载时强LLC变换器进入突发模式（burst mode）。在该工作模式给出足够的死区（即非交迭）时间，以保证MOSFET（Q10、Q11）零电压开关（ZVS）操作。
U1引脚VREF外部C27是LLC级软启动电容。软启动时间由C27、R49和R51共同设置，其值可表示为：C27×[(R49×R51)/(R48+R51)]。
U3和U2周围元件C24、C44、C51、R30、R70和R107等，为LLC级提供频率补偿。齐纳二极管VR12的稳压电压降低48V输出，对U2起保护作用。
2、150W LED路灯电源主要元件选择
2.1 功率MOSFET
PFC开关Q2选用STW 20NM50FD，500V，20A，导通电阻0.22Ω，采用TO-247AC封装。
半桥开关Q10和Q11选用IRFIB7N50LPBF型N沟道MOSFET，500V，6.8A，0.32Ω，采用TO-247AC封装。
偏置电源中的Q24，选用600V、0.4A、8.5Ω采用SOT-223封装的STN1HNK60型N沟道MOSFET。
2.2 双极晶体管
PFC缓冲级Q1选用60V、1A、采用SOT-23封装的FMMT491TA型NPN晶体管。Q3选用60V、1A、采用SOT-23封装的FMMT591TA型PNP晶体管。
偏置电源中Q26、Q17选用40V、0.2A、采用SOT-23封装的NPN型小信号晶体管MMBT3904LT1G，Q27选用80V、0.5A，采用SOT-89封装的BST52TA型NPN晶体管。
2.3 铁氧体磁珠
铁氧体磁珠L6、L7尺寸为3.5mm×4.45mm，68Ω（ @100KHz），孔洞22AWG（美国线规，孔洞直径φ0.63mm）。
铁氧体磁珠1~4，尺寸为φ3.5mm×3.25mm（长），21Ω（@25MHz），孔洞φ1.6mm。
2.4 PFC电感器L4
PFC升压电感器L4采用PQ32/20磁心和12引脚配套骨架，电气图和构造图分别如图2和图3所示。在图3中，引脚1与6之间的主绕组用作PFC升压电感器，引脚8与7之间的绕组为偏置绕组。
具体的L4结构如表1所示。
表1 PFC电感器L4绕组结构
注：L4主绕组（引脚1~6）电感量在100KHz和0.4V时是580μH（±10%）
2.5 LLC变压器T1
LLC变压器T1选用ETD39磁心和18引脚骨架，电气图和构造图分别如图4和图5所示。
T1电气特性如表2所示。
表2 LLC变压器电气参数
表3列示了T1的绕组结构。
表3 LLC变压器绕组结构
3、150W LED路灯电源性能
图1所示的150W LED路灯电源，AC输入电压范围是140~265VAC，DC输出是48V/3.125A。其它主要性能如下。
3.1 AC输入电流谐波
LED路灯电源的AC输入电流谐波满足IEC61000-3-2标准限量要求。图6为在满载和半载（50%负载）下AC输入电流总谐波失真（THD）与AC输入电压的关系曲线。由图6可知，在满载下，THD<7.5%，在200VAC时的THD=2%。
3.2 线路功率因数
由于LED路灯离线（off-line）电源带有功率因数校正，满载下的线路功率因数 PF>0.965；在140~220VAC范围内，PF≥0.98，如图7所示。
3.3 电源效率
在满载时，PFC级效率PFC> 95%（@140VAC），LLC级效率LLC>95%，系统总效率total>92%（@200~265VAC）。
图8为在不同负载上系统效率与AC输入电压的关系。
3.4 EMI与安全性
LED路灯电源传导EMI符合CISPR22B/EN55022B规范要求，安全性满足IEC950/UL1950 II类要求。
4、小结
目前LED路灯尚处在开发期，还有许多技术问题有待于解决。就LED路灯电源来说，如果使用交流市电电源供电，必须采用功率因数校正。采用PFC/LLC控制器PLC810PG的150W LED路灯电源，为设计高性能离线LED路灯电源提供了一种具有指导性和实用性的解决方案。
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