Высокоэффективный источник питания с корректором коэфициента мощности мощностью 150 Вт для уличного светодиодного осветителя

Входное напряжение - 140 - 265 VAC
Мощность - 150 Вт (48 В, 0.05 - 3.125 А)
Применение - мощный светодиодный осветитель

Введение:

Данный документ описывает дизайн 150ти ваттного источника питания с входным напряжением 230VAC для светодиодного осветителя, который также является отладочным дизайном для микросхемы PLC810PG.

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Данный источник питания построен на базе контроллера PLC810PG; схема включает в себя 2 ступени - cтупень корректора коэфициента мощности (PFC) в режиме без разрыва тока основного дросселя и ступень резонансного полумоста (LLC).

Внешний вид:

Рис. 1 Внешний вид источника питания (верх печатного узла)

Рис. 1 Внешний вид источника питания (низ печатного узла)

Спецификация

Схема

Нажмите для увеличения

Рис.3 Схема источника питания - Входная цепь и ступень PFC

Нажмите для увеличения

Рис.4 Схема источника питания - Ступень PFC, цепи контроля, ступень LLC

Описание работы преобразователя:

Преобразователь на базе состоит из 2х частей - ступень PFC и ступень LLC

Входной фильтр / boost преобразователь / вспомогательный источник питания

Схема на рис.3 показывает входной ЭМИ фильтр, основную ступень PFC и вспомогательную цепь запуска/питания.

Фильтрация ЭМИ

Конденсаторы С1 и С5 подключены напрямую от фазы и нейтрали на землю. Они служат для контроля шумов на частоты выше 30 MHz. Дроссели L1 и L2 контролируют ЭМИ на средних и низких частотах (<10MHz). Емкости С2 и С6 контролируют резонансные выбросы в средней полосе частот.

Дроссель PFC (L4) имеет заземленный экран для предотвращения электростатической и магнитной связи с компонентами ЭМИ фильтра. Емкости С3 и С4 обеспечивают фильтрацию дифференциальных помех. Для обеспечения требуемой степени безопасности резисторы R1, R2 и R3 разряжают вышеупомянутые конденсаторы при снятии входного напряжения. Радиатор PFC ключа - FET Q2 и выходной диод D2 подключены к катоду D3 через конденсатор С80 для того, чтобы не сделать радиатор источником наведенных помех на шасси заземления.

Ограничение стартового тока

Ограничение стартового тока обеспечивается термистором RT1. Он шунтируется реле RL1 при штатном режиме работы, обеспечивая увеличение КПД на 1-1.5%.

PFC ступень

Компоненты C9, C11, L4, Q2, D2 формируют корректор коэфициента мощности работающий в режиме без разрыва тока основного дросселя. Компоненты Q1, Q3, R7, R9 служат буфером сигналу ШИМ управления для ключа Q2 от контроллера PLC810. Резистор R7 позволяет оптимизировать время запирания Q2 для оптимизации потерь между D2 и Q2. Опытным путем было выявлено, что параметры КПД и ЭМИ улучшаются при снижении номинала R7 и добавлении ферритовых колечек на затвор и сток Q2. При этом нужно помнить, что при увеличении тока включения MOSFET транзистора - мы уменьшаем потери на переключение, однако при этом возростает и ток через D2 и связанный с ним "звон". Для диода D2 был выбран диод класса Ultra fast, как недорогая альтернатива силиконово-карбидной или другой проприетарной технологии. Использование дорогих компонентов позволит немного поднять КПД решения, но при этом существенно увеличат его стоимость.

В качестве ключа Q2 для увеличения КПД был выбран MOSFET транзистор 220MOhm, 500V. Корпус TO-247 был выбран для лучшей теплоотдачи.

Сенсорным элементом ступени PFC являются компоненты R6 и R8. Напряжение ограничивается двумя диодами D3 и D4, защищая вход контроллера в аварийных условиях. Диод D1 заряжает выходной конденсатор PFC (C9), как только подано входное напряжение. Это направляет стартовый ток через дроссель PFC - L4, защищая его от насыщения и перегрузки компонентов Q2 и D2 при запуске запускается PFC. C11 подавляет высокочастотную составляющую на компонентах Q2, D2, C9 для снижения ЭМИ. Входное переменное напряжение выпрямляется компонентом BR1 и фильтруется емкостью С7. Конденсатор С7 выбран класса low-loss полипропиленового типа, благодаря его малым потерям и низкому сопротивлению. Этот конденсатор обеспечивает постоянный ток через L4 при открытом ключе Q2.

Вспомогательный источник питания, запуск схемы

Компоненты D22, D23, C75, R109 работают как удвоитель напряжения для выпрямления и фильтрации напряжения с вспомогательной обмотки питания на L4, обеспечивая более-менее независимое от входного напряжения вспомогательное питание.

Компоненты Q24, Q25, Q27, VR9, VR10, VR11, D24, C70, R103, R111, R113, R114, и R117 составляют вспомогательный стабилизатор и несут функцию запуска. Резистор R113 заряжает емкость С70 через транзистор Q24 для обеспечения вспомогательного напряжения, запускающего U1. Выходное напряжение Q24 ограничивается VR10. Транзистор Q25 шунтирует стартовую цепь при начале работы схемы в штатном режиме. Транзистор дарлингтона Q27, R111, VR9 формируют простой стабилизатор напряжения. Также, при начале работы схемы в штатном режиме, Q26 включает RL1, тем самым закорачивая термистор RT1.

LLC ступень

Вход ступени LLC

MOSFET транзисторы Q10 и Q11 - это ключи LLC конвертера. Они управляются напрямую контроллером через резисторы R56 и R58. Конденсатор С39 - первичный резонансный конденсатор, который должен обладать минимальными потерями. С40 используется для локального шунтирования и должен быть расположен в непосредственной близости от Q10 и Q11. Резистор R59 обеспечивает измерение тока первичной обмотки для защиты от перегрузки.

Выход ступени LLC

Вторичные обмотки T1 выпрямляются и фильтруются элементами D9, C37-38 для обеспечения выхода +48V

Контроллер

Рис.4 показывает цепи контроллера U1, который обеспечивает контроль ступеней PFC и LLC.

Контроль ступени PFC

Выходное напряжение ступени PFC контролируется выводом FBP микросхемы U13. Напряжение заводится на FBP через компоненты R39-41, R43, R46, и R50. Конденсатор С25 фильтрует шум. Компоненты C26, C28 и R48 обеспечивают частотную компенсацию PFC. Q20 включается при больших отклонениях сигнала, шунтируя С26. Это позволяет обеспечить быструю реакцию цепи ОС на сильное изменение нагрузки. Токовый сигналы с резисторов R6 и R8 фильтруются элементами R45 и С73. Сигнал управления затвором PFC ступени с вывода GATEP переправляется на основной ключ через R44. Это подавляет все шумы на управляющем сигнале, которые обусловлены длиной дорожки от U1 до Q2.

Шунтирование/изоляция

Емкости С29, С31, С32 обеспечивают сглаживание цифрового и аналогового питания для U1. Резистор R5 и ферритовое колечко L7 обеспечивают изоляцию между землями PFC и LLC. Резистор R37 и R38 изолирует нестабильноть напряжения аналогового и цифрового питания. Ферритовое колечко L6 обеспечивает ВЧ изоляцию между верхним MOSFET транзистором ступени LLC и контроллером.

Контроль ступени LLC

Обратная связь ступени заводится с R54 через U2. С77 фильтрует сигнал обратной связи. Резисторы R49, R51, R53 устанавливают нижний частотный предел ступени LLC. C27 используется для обеспечения мягкого старта выходного напряжения. Резистор R52 устанавливает верхний частотный предел ступени LLC. Емкости С30 и С36 - фильтры помех. Сигнал перегрузки заводиться с R59 и фильтруется компонентами R47 и С35. Резисторы R52 и R53 были подобраны для того, чтобы заставить LLC конвертер работать в режиме burst mode при малой/нулевой нагрузке, защищая выход от перенапряжения.

Печатный узел:

Рис.5 Пример печатного узла для преобразователя (верх)