PFC开关电源硬件设计分享

有源PFC技术目前已经在开关电源的新产品研发工作中应用的较为成熟，但是在公共照明领域中，这一技术的适用范围还并不是很广泛。在今天和明天的文章中，我们将会为各位工程师们分享一种基于LED路灯的PFC开关电源设计方案。本方案采用有源PFC功能电路设计的室外LED路灯电源，其内部特别设置有EMC电路和高效防雷电路，能满足室外照明和抗雷需要。今天我们将会就这一开关电源方案的硬件设计展开详细介绍。

系统总体框图

首先来看这一PFC开关电源方案的总体系统设计。在本方案中，考虑到户外LED照明的工作需要，我们选择采用隔离变压器和PFC控制实现开关电源的正常运转，该系统能够输出恒压恒流的电压，驱动LED路灯进行照明。这一电路的总体框图如图1所示。

图1 PFC开关电源模块工作原理框图

相信很多从事LED照明研发工作的技术人员都非常清楚，目前市面上不少LED产品的抗浪涌的能力相对来说是比较差的，尤其对于抗反向电压能力来说，更是如此。因此，加强这方面的保护就是本方案的重点。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源应具有抑制浪涌侵入，保护LED不被损坏的能力。EMI滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块，影响控制电路的正常工作。

在图1所展示的这一PFC开关电源模块工作原理狂徒中，我们可以很清晰的看到，当这一系统开始正常运行时，三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。此时，主开关DC/AC电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC滤波和EMI滤波，输出LED路灯需要的直流电源。

在本方案中，我们所设计的有源PFC开关电源的PWM控制电路，采用电压电流实现双环控制，已达到对输出电压的调整和输出电流的限制目的。该系统中的反馈网络采用恒流恒压器件TSM101和比较器，反馈信号通过光耦送给PFC器L6561。由于使用了PFC器件使模块的功率因数达到0.95。

DC-DC变换器设计

在这一基于LED的有源PFC开关电源的硬件设计中，为了全面保证用电安全，本方案中我们选择的DC-DC变换器采用隔离式反激结构，该种结构的变换器有利于确保输出电压稳定不变。就目前反激式开关电源的应用范围来看，这种开关电源主要应用于输出功率为5~150W的情况。这种电源结构是由Buck-Boost结构推演并加上隔离变压器而得到，其工作原理如下图图2所示。

可以看到，在反激式的DC-DC变换器拓扑结构中，该系统主要使用变压器作为储能元件。开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供。当开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。

图2 高频DC-DC变换原理图

下面我们来详细的看一下这种变换器的工作原理图中，具体的参数含义。上图所展示的隔离反激式DC-DC变换器工作原理图中，T1为高频隔离变压器，VQ1为CMOS功率三极管17N80C3，VD7和VD8是瞬变抑制二极管，VD6为快恢复二极管，VD5为双二极管，C3、C4、C5和C6为电解电容器。Ubout是来自整流桥的脉动直流信号，GD是来自功率因数校正电路的控制信号。变压器的引线l和2组成一个绕组，给PFC器件提供工作电源，引线11和12组成一个绕组，为恒流恒压器件和比较器提供工作电源。