含有PFC的LED驅(qū)動(dòng)線路的改進(jìn)設(shè)計(jì)

侯典立 ，張慶范 ，張 龍 ，劉 曉

（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.魯東大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

引言

隨著LED（Light-Emitting Diode）技術(shù)的發(fā)展，大功率LED(High-Power Light-Emitting Diode)照明在能源告急的今天得到世界各國的高度重視，LED具有高效節(jié)能、無汞毒害、長壽命等優(yōu)點(diǎn)。在所有用電設(shè)備中照明用電在發(fā)達(dá)國家達(dá)到19%，我國也達(dá)到了10%，而采用LED技術(shù)可以節(jié)電50%以上,LED控制器成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。中小功率隔離式的LED驅(qū)動(dòng)器基本采用填谷式無源PFC、反激變換器的架構(gòu)，這種經(jīng)典架構(gòu)為多種產(chǎn)品采用，也有多篇文獻(xiàn)對(duì)填谷式PFC和反激線路進(jìn)行了論述，本文根據(jù)LED特性對(duì)此架構(gòu)進(jìn)行了描述，同時(shí)在對(duì)其原理進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上提出了一種新的改進(jìn)填谷式功率因數(shù)校正線路，針對(duì)高亮度LED照明的應(yīng)用，文章進(jìn)一步闡述了更加適合于LED照明特性的反激線路及電流采樣和反饋線路，同時(shí)，通過仿真對(duì)線路的改進(jìn)及性能的改善進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 LED驅(qū)動(dòng)方式和方案

LED電氣特性與普通二極管類似，具有正向?qū)?、反向截止特性，?dāng)LED兩端所加正向電壓超過導(dǎo)通電壓時(shí)，流過LED的電流急劇增加，所以，LED驅(qū)動(dòng)采用電流源驅(qū)動(dòng)更為合適和容易實(shí)現(xiàn)。電流源根據(jù)晶體管應(yīng)用特性的不同可分為線性電流源和開關(guān)電流源，線性電流源中晶體管或場效應(yīng)管工作于放大狀態(tài)，特點(diǎn)是線路簡單，但功耗大，而開關(guān)型電流源中晶體管或場效應(yīng)管工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，故其效率較高，但線路相對(duì)復(fù)雜。所以，在極小功率、且線路要求簡單的場合采用線性電流源，本文針對(duì)中小功率LED照明應(yīng)用采用開關(guān)型電流源。

開關(guān)電流源和開關(guān)電壓源類似，主要用于反饋調(diào)整脈寬所采集的信號(hào)不同，電流源根據(jù)電流調(diào)整脈寬。針對(duì)LED照明應(yīng)用，對(duì)開關(guān)電流源的要求有其特殊性，由于眼睛識(shí)別頻率較低，也可以說人眼對(duì)于光線的變化的高頻具有濾波特性，即使用于驅(qū)動(dòng)LED為高頻的方波非直流信號(hào)，隨著占空比變化人眼看到的LED是持續(xù)的亮度變化，而不是高頻的閃爍，所以，驅(qū)動(dòng)LED可以用直流信號(hào)也可以用高頻方波信號(hào)。正是如此，調(diào)光既可以采用脈寬調(diào)制（PWM）方式，也可以采用直流調(diào)整方式，前者調(diào)光時(shí)色差變化小，但光效低，適合于對(duì)顏色變化要求高的場合，如LCD電視背光；后者相反[1]。二者在線路結(jié)構(gòu)上主要是電流采樣位置的不同，通常前者采樣電流取自開關(guān)管MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電流，后者電流取自濾波后直流輸出點(diǎn)電流，如圖2中電阻RS，因此對(duì)于普通照明系統(tǒng)，采用直流調(diào)整較好。因?yàn)楣β什皇翘?，系統(tǒng)架構(gòu)采用填谷式無源PFC、反激變換器的架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)圖

2 填谷式PFC電路分析及改進(jìn)

電源的功率因數(shù)校正在這些年越發(fā)得到各個(gè)國家和組織的重視，紛紛制定標(biāo)準(zhǔn)來限制用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染，如國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2。功率因數(shù)校正主要是減少無功功率，增加有功功率在功率中的比重，使得電網(wǎng)電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電、發(fā)電以及相關(guān)過程中的基本設(shè)備有關(guān)的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。而傳統(tǒng)的整流加電容濾波的線路，功率因數(shù)極低，約為0.6，諧波電流值很大,3次諧波達(dá)70%～80%(以基波為100%),總諧波失真 (THD)達(dá)120%以上。因此，需要功率因數(shù)校正電路對(duì)離線電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化[2]。

圖2（a） 填谷式PFC線路

圖2(b) 增強(qiáng)填谷式PFC線路

圖2（c） 電源端輸入電流波形圖

功率因數(shù)校正電路有兩大類，一類是無源PFC線路，另一類則為有源PFC線路。有源功率因數(shù)校正線路是把開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器置于輸入整流器和儲(chǔ)能電容之間，電路能對(duì)輸入電流進(jìn)行整形，以匹配輸入電壓的波形。有源PFC線路可以產(chǎn)生較高的功率因數(shù)，但線路復(fù)雜，主要用于功率較大的系統(tǒng)中。無源PFC線路相對(duì)較簡單，功耗低，無源填谷式PFC線路是一種典型的無源PFC線路，如圖2(a)所示[4]，有三個(gè)二極管,D5～D7,和兩個(gè)電容 C1，C2組成，電源輸入電流波形如圖2(c)所示。假定C1=C2=C，線路工作于三種模式，

（1）模式1：α1～α2和 β2～β1，此時(shí)，Ucmin

（2） 模式 2：α2～β2，此時(shí)，2Ucmin

（3） 模式 3：0～α1和 β1～π，， 二極管D1，D2，D3，D4和 D7截止，D5，D6導(dǎo)通，電源不再供電，兩個(gè)電容并聯(lián)為負(fù)載提供電流，假定電容足夠大，α1≈30°，α2接近90°。 則

式中T為電源周期，根據(jù)式（3）和設(shè)計(jì)要求選擇合適的電容。

從以上分析可以看出，增加功率因數(shù)主要從兩個(gè)方面：一方面，根據(jù)（2）式，通過增大Rs減小角度θ，減小電源電流與電壓夾角，可以增大功率因數(shù)，但影響比較小，并且犧牲了電源效率；另一方面，減小α1或增大β1，使得電流更接近于正弦波形，如此也進(jìn)一步減小諧波。文獻(xiàn)[3]提到濾波電容不可以太大，否則功率因素降低，減小電容增大了放電時(shí)電容兩端電壓的變化，減小了 Ucmin，減小了 α1，α2角度值，但并不能改變?chǔ)?，圖3（b）增強(qiáng)填谷式PFC線路減小α1和增大β1，進(jìn)一步改善功率因數(shù)，且可以允許放電時(shí)PFC中濾波電容兩端電壓變化較小。

增強(qiáng)填谷式PFC線路在原來的基礎(chǔ)上增加了一級(jí)電容充放電線路，增加了二極管D8，D9，D10和電容C3，原理與普通填谷式PFC相似，當(dāng)電源電壓值大于電容放電后電壓最小值時(shí)整流橋?qū)樨?fù)載供電；當(dāng)電源電壓值大于電容放電后電壓最小值的三倍時(shí)，除給負(fù)載供電外，二極管D7，D9導(dǎo)通為電容C1，C2和C3充電；當(dāng)電源電壓值小于電源幅值的三分之一時(shí)，整流二極管截止，電容C1，C2和C3分別通過二極管D5和D8，D10以及D6放電。此時(shí)，假定 電 容 足 夠 大 ，α1≈19.47°，β1≈180°-19.47°=160.53°。此時(shí)所需電容容值：

3 LED驅(qū)動(dòng)的反激拓?fù)浞治黾案倪M(jìn)

開關(guān)型恒流源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)型恒壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相同，傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以用于恒流源，并且各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)同樣適用于恒流源，因此，用于LED照明的小功率隔離電源采用反激拓?fù)浔容^合適，反激拓?fù)渚€路相對(duì)簡單，且濾波性能好。

圖3 反激拓?fù)湓谶B續(xù)模式下等效線路圖

典型的反激拓?fù)淙鐖D1所示，反激拓?fù)涫怯煞歉綦x式拓?fù)銪UCK-BOOST演變而來，BUCKBOOST的電感演變?yōu)樽儔浩鱗6]，因此，由于變壓器的加入使反激拓?fù)潆妷鹤兓秶龃?，之所以稱之為反激就是因?yàn)樽儔浩髟吅痛芜呺娏鞑⒉煌瑫r(shí)流過，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊存儲(chǔ)能量，次邊二極管D截止，電容CO為負(fù)載供電；開關(guān)管截止時(shí)，變壓器線圈電壓反向，二極管D導(dǎo)通，變壓器釋放能量，為濾波電容CO和負(fù)載Z供電，反激拓?fù)湓谶B續(xù)模式下的等效線路圖如圖3所示。電壓轉(zhuǎn)換比為：

圖4 反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為恒壓源輸出濾波電容并聯(lián)在負(fù)載兩端，因此并不會(huì)出現(xiàn)電壓的突變，但用于恒流源如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，只是改用采集電流信號(hào)與參考信號(hào)比較后經(jīng)放大、調(diào)制后生成方波驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，從結(jié)構(gòu)上并不能保證電流不會(huì)突變，尤其是負(fù)載為高亮度LED。由于負(fù)載LED的非線性特性，導(dǎo)通后施加到LED的正向電壓微小變化會(huì)帶來LED正向電流急劇變化，也意味著電流的變化對(duì)電壓的變化進(jìn)行了高度放大，所以即使輸出電壓的小的紋波或過沖都有可能引起LED的不正常工作，并且發(fā)光二級(jí)管的正向電流和電壓之間存在明顯的非線性關(guān)系，干擾信號(hào)會(huì)造成電流的過沖、甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定，為解決此問題應(yīng)在電容CO和負(fù)載之間串聯(lián)電感，改進(jìn)后的反激拓?fù)淙鐖D4所示，充分利用電感電流不能突變的特性，避免LED電流的突變，同時(shí)對(duì)紋波和噪聲起到一定的過濾作用，加強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于電感LO只是對(duì)電流突變和紋波起作用，而穩(wěn)態(tài)時(shí)電感兩端的壓差為0，所以把V=IRL帶入等式（5），整理可得：

4 電流采樣反饋線路

電流信號(hào)采樣通常轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，大電流采用電流互感器或分流器，而對(duì)于LED電流相對(duì)較小，電流的采樣可以采用直接串聯(lián)電阻的方式，電流采樣線路如圖5所示，電阻RS采集電流信號(hào)，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，采樣電阻的阻值由LED電流和晶體管基極對(duì)發(fā)射極的導(dǎo)通電壓決定，在此電阻RS兩端的電壓經(jīng)過晶體管放大驅(qū)動(dòng)光耦，從而把輸出電流的大小經(jīng)光耦反饋給控制芯片，進(jìn)一步控制電流輸出。

圖5 電流采樣線路

5 仿真驗(yàn)證

本文利用orCAD16.2軟件對(duì)上述理論進(jìn)行了仿真，PFC線路、輸入電壓幅值為310 V，負(fù)載電阻為200 Ω，二極管采用1N4007，PFC濾波電容C=20 μF，且在二極管D7串聯(lián)10 Ω電阻來抑制電流過沖，電源電流測試波形和傅里葉變換分析如圖6所示。增強(qiáng)填谷式PFC線路減小α1和增大β1，進(jìn)一步改善功率因數(shù)，同時(shí)減小了3次和5次諧波。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)LED照明，描述了LED驅(qū)動(dòng)器的控制基本機(jī)理，并闡述了填谷式PFC線路和反激拓?fù)渚€路的原理及其改進(jìn)，改進(jìn)后的線路在性能上得到了很大提高?；谏鲜隼碚撛O(shè)計(jì)了一款基于脈寬調(diào)制(PWM)芯片CR6848的32 W的LED控制器，輸出電流350 mA，偏差為小于2%，功率因數(shù)達(dá)到0.92，效率達(dá)到90%。該控制器已經(jīng)應(yīng)用于LED照明的產(chǎn)品中，系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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