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参考设计

2011 三月

LED路灯用镇流器

意法半导体公司和TDK-EPC现已联手开发了一款街道照明用LED灯镇流器的参考设计,TDK-EPC提供了所有关键电子元件,如电容器、压敏电阻及电感器。当输出电压为48V时,此电源可输出130W。

 

众所周知,LED效率高且寿命长,被人们称作创新的驱动力,并越来越多地应用于照明技术。其原因在于它们为降低室内和室外灯具的能源消耗发挥了决定性作用,特别适用于路灯,因为其效率、使用寿命、维护和能源消耗对整体成本具有决定性的作用。为确保免维护运行,LED灯所用镇流器必须与LED本身具有同样高的效率以及同样长的工作寿命。

 

两级参考设计

意法半导体与TDK-EPC联手研发的新式参考设计包含两级(参见图1):采用意法半导体L6562AT控制器实现前端功率因数校正(PFC)级,以及基于L6599AT电源集成电路的LLC谐振转换器。

 

图1:带整流器、PFC级与谐振转换器主板
薄膜电容器的使用确保了高度可靠性和较长使用寿命。

 

该设计的关键特性包括高达90%以上的效率、大输入电压范围(即85~305V的交流线路电压),以及高可靠性和长寿命。由于电源可靠性或平均无故障时间(MTBF)取决于所用电解电容器的故障率,因此该参考设计采用了创新方法:使用薄膜电容器代替电解电容器实现直流链路的平滑和储存。由于研发人员还考虑了组件的降额作用,因而特意按照《建议书MIL - HDBK-217D》降低了负荷。通过使用意法半导体新型L6562AT和L6599AT集成电路,有源元件的数量也得以减少,从而在提高MTBF的同时优化了组件的总成本。凭借高效率电路,PFC级仅需使用一个小小的散热片。该参考设计还可预防每一级的过载、短路、开路操作以及每个输入点的过电压现象。该系统可在出现故障后自动重启。

 

关键特性

  • 扩展了的欧洲交流输入电压范围, 85~305(45~55 Hz)
  • 2.7 A时,输出电压为48 V
  • 通过爱普科斯薄膜电容器延长了使用寿命
  • 电源谐波符合EN61000-3-2 C类
  • 额定负荷下效率在90%以上
  • 电磁兼容性符合EN55022 B级和EN55015
  • 安全性:双重绝缘,符合EN60950和SELV标准

 

第一级:PFC电路

PFC级在过渡模式下运行,将供给共振级的电源预控制在450 V。PFC功率级为连接至整流桥输出的传统升压转换器,它还包括升压电感器、整流二极管以及输出电容器。PFC输出电容器采用了爱普科斯5 µF / 800 V薄膜电容器,MOSFET则充当升压开关。该主板配备了输入EMC滤波器,用于吸收升压级所造成的干扰。功率因数校正通过L6562AT控制器实施,该元件体积小,成本低,可在户部温度变化大的条件下运作。

 

第二级:谐振转换器

L6599AT控制器在降压转换器中起关键作用,包括正确调节谐振转换器所需的全部功能。它有稳定的50%的工作比,使用频率作为控制参数。变压器中采用了基于串联电感器的集成电磁方案,从而无需使用外部电感器即可产生谐振。二次绕组选择使用配有中心抽头的变压器以及STPS10150CG型肖特基功率整流器,同时也使用了额定4.7 µF / 63 V的爱普科斯薄膜电容器,以求平滑。而抑制RF波纹的紧凑型LC滤波器则用于完成输出部分。输出电压通过反馈网络进行调节和稳定。图2为电源的整体电路原理图,所用材料参见表1。

 

表2:LED电源整体电路图

 

 

表1:TDK-EPC产品材料清单

 

参考值,型号尺寸(宽高);RM [mm], EIA形式 说明,订购代码
C2470 nF - X29.0 x 18.0; 15MKP, B32922C3474K000
C3470 nF - X29.0 x 18.0; 15MKP, B32922C3474K000
C4470 nF - X29.0 x 18.0; 15MKP, B32922C3474K000
C55 µF14 x 31.5; 27.5MKP, 800 V, B32774D8505K000
C65 µF14 x 31.5; 27.5MKP, 800 V, B32774D8505K000
C75 µF14 x 31.5; 27.5MKP, 800 V, B32774D8505K000
C101 µF1206MLCC, 50 V, X7R, C3216X7R1H105KT
C1310 µF1210MLCC, 25 V, X7R, C3225X7R1E106M
C174.7 µF7.8 x 7.8; 5MKT, 63 V, B32529D0475M000
C184.7 µF7.8 x 7.8; 5MKT, 63 V, B32529D0475M000
C2015 nF5 x 18; 15MKP, 1000 V, B32652A0153K000
C24

4.7 µF

0805MLCC, 6.3 V, X5R, C2012X5R0J475KT
C25470 pF0805MLCC, 50 V, COG, C2012C0G1H471JT
C3010 µF1210MLCC, 25 V, X7R, C3225X7R1E106KT
C4010 µF 2220MLCC, 50 V, X7R, C5750X7R1H106M
RV1300 V AC15 x 5; (D x W), 7.5金属氧化物压敏电阻,B72214S0301K101

 

效率测试

表2显示了在不同负荷下、交流线路电压为230 V / 50 Hz和115 V / 60 Hz时的总效率。在115伏电压和满负荷条件下,总效率为90.96%,在230 V时上升至93.39%。如果根据ES-2标准,分别加载25%、50%、75%和100%的负荷进行效率测试,得出的平均效率为:230 V时91.04%;115 V时89.52%,这意味着该转换器不仅能够在满负荷条件下发挥高效率,在低负荷时(LED亮度锐减时)也同样如此。

 

表2:不同负荷下的效率

 

230 V, 50 Hz115 V, 60 Hz
测试条件Vout
[V]
Iout
[A]
Pout
[W]
Pin
[W]

η

[%]

Vout
[V]
Iout
[A]
Pout
[W]
Pin
[W]

η

[%]

25%负荷47.580.68932.837.8786.5747.590.68932.837.8786.58
50%负荷47.571.37865.671.6691.4847.581.37865.672.9389.90
75%负荷47.562.00895.5102.9692.7547.562.00195.2105.090.64
100%负荷47.552.708128.8137.693.3847.562.703128.6141.3390.96
平均效率91.0489.52
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