基于PLC810PG的LED路灯电源电路设计
采用plc810pg的150w led路灯电路，输入电流总谐波失真(thd)92%，传导emi满足en5so228/cispr22b规范要求，安全性符合iec950/ul1950(ii类)规定。
前言
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，thd0.965;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
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。
晶体管式镍片电池点焊机的优势是什么
底层传感器信号链怎样保障自动驾驶安全
生物识别技术在未来的网络安全领域占据着重要的地位
腾讯云小微AI语音技术探索和落地应用
智能网联汽车的本质是智能和网联吗？
基于PLC810PG的LED路灯电源电路设计
关于门级驱动芯片的简介，它的应用及性能优势是什么
PIC'ing the MAX3100: Addin
数字孪生博物馆有哪些特点？
NI、研华、凌华、国产新超振动数据采集卡的参数选型
手机大厂也来抢一杯羹 TWS蓝牙耳机市场今年预增长52.9%
防爆电动执行器的安装和连接
蚂蚁金服在区块链上的发力点在哪里
华润矽威入围“2009年德勤亚太区高科技高成长500强”
MLX90640 红外热成像仪测温传感器模块开发笔记（六）
Vivado 2023.2版本的新增功能
触控产业竞争激烈 厂商加速整并、技术升级
谷歌这技术太牛了,以后手机可以像电脑一样升级处理器、内存等
正弦交流电的三要素是 正弦交流电的有效值怎么求
求一种FPC、CCS测试完整解决方案
前言
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，thd0.965;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
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。
晶体管式镍片电池点焊机的优势是什么
底层传感器信号链怎样保障自动驾驶安全
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求一种FPC、CCS测试完整解决方案