一種單級原邊控制LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

姚云龍，吳建興

(杭州士蘭微電子股份有限公司，杭州 310012)

隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，LED 的亮度和效率不斷提高。日常家用的LED 照明不斷發(fā)展，逐漸成為節(jié)能減排、綠色照明的主流［1－2］。為實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)和很低的總諧波失真，減小對電網(wǎng)的干擾，一般大于5 瓦的LED 需要增加功率因數(shù)控制。

傳統(tǒng)的交流供電的帶功率因數(shù)調(diào)整(PFC)功能的LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路，有隔離型和非隔離性兩種結(jié)構(gòu)。在隔離型結(jié)構(gòu)中又有兩種控制結(jié)構(gòu)，一種是兩級控制，一種是單級控制。相對于兩級控制來說，單級控制的電路相對簡單，成本也相對較低，本文主要針對單級反激式單級控制的LED 驅(qū)動(dòng)電路。

在隔離型反激式單級控制的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電路［3－8］中，一般采用光耦反饋得到恒流控制信號(hào)。由于采用光耦反饋，需要在副邊增加誤差放大器，采樣輸出電流，還需要光耦來實(shí)現(xiàn)隔離，并且把輸出電流信號(hào)傳遞到輸入端，所需要的元件較多，電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。PCB 板空間很大，不利于產(chǎn)品小型化，而且電路成本高。

為了降低成本，隔離型反激式LED 驅(qū)動(dòng)電路中，直接采用原邊控制的電路成為趨勢。為了做PFC 功能，有采用填谷式無源功率因數(shù)校正方法實(shí)現(xiàn)［9－10］，也有采用單芯片集成有源功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)。填谷式無源功率因數(shù)校正需要外加元件，導(dǎo)致成本增加，而且PF 并不太高。單芯片集成有源功率因數(shù)校正中，大部分采用積分環(huán)路，先把輸出電流的平均值計(jì)算出來，通過環(huán)路控制實(shí)現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFC 功能，需要把環(huán)路響應(yīng)做慢。這樣對輸出負(fù)載的快速變化無法快速響應(yīng)。特別是LED 等瞬間短路時(shí)，容易出現(xiàn)大功率損耗，嚴(yán)重時(shí)電路燒毀，甚至起火。

本文介紹單級原邊控制反激式高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，該電路采用開環(huán)控制PFC和輸出恒流值，能對負(fù)載的變動(dòng)快速響應(yīng)，保證負(fù)載變動(dòng)時(shí)電路的安全穩(wěn)定工作。該控制器集成了功率因數(shù)調(diào)整，原邊LED 恒流控制功能。本文還給出了使用上述的控制器構(gòu)成反激式單級LED 驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的裝置。

1 原理說明

如圖1所示是原邊控制反激式LED 恒流驅(qū)動(dòng)簡化的運(yùn)用電路。該電路省去了光耦、副邊控制恒流的放大器?？梢詼p小PCB 板面積，有利于產(chǎn)品小型化和降低電路成本。其中的關(guān)鍵是控制器的設(shè)計(jì)，該控制器既要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的控制，又要實(shí)現(xiàn)輸出恒流控制。

圖1 單級原邊控制LED 驅(qū)動(dòng)電路

下面介紹高功率因數(shù)、恒流功能的實(shí)現(xiàn)。在恒流環(huán)中，功率管的開通信號(hào)由功率管開通控制電路給出，功率管的關(guān)斷信號(hào)由電流峰值比較器給出。

乘法器實(shí)現(xiàn)交流輸入的歸一化目的，以實(shí)現(xiàn)在不同的AC 輸入電壓下，輸出的恒流值相同。

乘法器模塊接收交流輸入整流后的采樣信號(hào)Vac，輸入交流電壓的有效值信號(hào)Vavg，計(jì)算得到兩個(gè)基準(zhǔn):

其中K1、K2為比例系數(shù)，由電路結(jié)構(gòu)決定，是恒定值，Vref0由控制器內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生，也是恒定值。

假設(shè)輸入整流后的交流電壓為:

其中，VM為輸入交流電壓的幅值，ω 輸入輸入交流信號(hào)的角頻率，t為時(shí)間。

則瞬時(shí)值Vac與VM成正比，有效值Vavg也與VM成正比，所以Vref1，Vref2與輸入電壓的幅值無關(guān)，僅僅與輸入電壓的相位和內(nèi)部偏置有關(guān)，是歸一化的函數(shù)?？梢员硎緸?

其中K3，K4為比例系數(shù)，與內(nèi)部偏置有關(guān)。

先分析功率開關(guān)的關(guān)斷控制。

功率開關(guān)的關(guān)斷由峰值電流比較器控制。在功率開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，變壓器原邊電感的電流不斷增加，當(dāng)電流增加到由Vref2所限制的電流值時(shí)，峰值電流比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，經(jīng)后面的RS 觸發(fā)器和預(yù)驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷功率開關(guān)S1。

如果在開關(guān)開通時(shí)刻的原邊電感電流初始值為零，假設(shè)導(dǎo)通時(shí)間Ton，原邊電感量為L，開關(guān)關(guān)斷時(shí)的電流峰值為Ipk，輸入電壓為Vin，整流及功率開關(guān)管上的電壓降落為Vdrop(一般忽略不計(jì))，則有如下關(guān)系成立:

即導(dǎo)通時(shí)間由原邊電感量L、內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)K4，采樣電阻Rs，輸入電壓的有效值VM有關(guān)，在給定的電壓輸入情況下(有效值不變)，且外圍的元件參數(shù)不變時(shí)，電路的導(dǎo)通時(shí)間固定。

再分析功率開關(guān)的開通控制。

通過合理設(shè)計(jì)外圍元件的參數(shù)，先保證本電路電流處于斷續(xù)工作模式。假設(shè)輸出電壓為Vout，副邊整流二極管壓降為Vd(一般忽略不計(jì))，變壓器的匝比(原邊繞組:副邊繞組)為n，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，變壓器電流反激，副邊繞組上產(chǎn)生峰值電流I′pk，與原邊的峰值電流Ipk的關(guān)系為:

則可以計(jì)算出輸出繞組一直有電流輸出的時(shí)間，即副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間:

假設(shè)開關(guān)周期為T，則每個(gè)開關(guān)周期的AC 平均輸入電流為:

每個(gè)開關(guān)周期的平均輸出電流:

由(9)可知，只要保證T 恒定，每個(gè)開關(guān)周期的平均輸入AC 電流與輸入AC 電壓同相位變化，從而可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因素和極小的總諧波失真。

其中:K5為比例常數(shù)。

則由式(6)、式(8)、式(11)得到:

開關(guān)周期與輸出電壓有關(guān)，與輸入電壓的瞬時(shí)值、有效值都無關(guān)。當(dāng)輸出電壓固定時(shí)，開關(guān)頻率固定。

把式(6)、式(12)代入式(9)，把式(6)、式(11)代入式(10):

由式(13)可知，每個(gè)開關(guān)周期的平均輸入電流與輸入電壓同相，能做到較好的PFC值。由式(14)可知，每個(gè)開關(guān)周期的平均輸出電流與輸入電壓的有效值沒有關(guān)系，在一個(gè)輸入交流周期內(nèi)，輸入寬電壓范圍變化時(shí)能做到平均輸出電流相同，輸出電流有很好的輸入電壓調(diào)整率;每個(gè)開關(guān)周期的平均輸出電流與輸出電壓也無關(guān)，不同的輸出電壓下也能做到相同的平均輸出電流，輸出恒流有很好的負(fù)載調(diào)整率。

對式(13)、式(14)在整個(gè)輸入AC 周期積分，可以求出整個(gè)AC 周期的平均輸入電流和平均輸出電流。

基于以上分析，開通信號(hào)控制電路實(shí)現(xiàn)功能是:根據(jù)副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間Toff1來確定開關(guān)下一次開通的時(shí)間點(diǎn)，即根據(jù)副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間Toff1來預(yù)測開關(guān)周期T。在電路穩(wěn)定工作以后，保證式(11)的成立。就能保證電路實(shí)現(xiàn)PFC和輸出恒流。

副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間Toff1的對應(yīng)信號(hào):TOFF1_CK 由驅(qū)動(dòng)信號(hào)和FB 過零檢測信號(hào)共同得到。副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間信號(hào)TOFF1_CK 產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)方法和時(shí)序見圖2。

圖2 TOFF1_CK 信號(hào)產(chǎn)生電路及時(shí)序

在功率管驅(qū)動(dòng)時(shí)，DRI為高電平，F(xiàn)B 反饋信號(hào)變成負(fù)電平，CS 采樣電平升高。當(dāng)CS 電平到達(dá)峰值電流比較器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)后，峰值電流比較器輸出翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過RS 觸發(fā)器、邏輯電路、預(yù)驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷功率管，DRI 變?yōu)榈碗娖?。同時(shí)變壓器反激，F(xiàn)B 變成正電平，副邊續(xù)流二極管開始導(dǎo)通。直到副邊續(xù)流二極管的電流變成零，F(xiàn)B 降低形成寄生振蕩。在驅(qū)動(dòng)結(jié)束后，從FB為正到FB 過零的時(shí)間，就是副邊續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間，即TOFF1_CK為高的時(shí)間。

下面介紹如何實(shí)現(xiàn)TOFF1 預(yù)測開關(guān)周期T。即實(shí)現(xiàn)(11)的一種方法。功率管開通控制電路及時(shí)序如圖3。電流源1和電流源2 由Vref1控制，即電流I1、I2由Vref1控制。當(dāng)TOFF1_CK為高時(shí)，SW2 開通，I2對C1電容放電;當(dāng)TOFF1_CK為低時(shí)，SW1開通，I1對C1電容充電。設(shè)置內(nèi)部基準(zhǔn)比較電平VREF，當(dāng)Vc高于電壓VREF時(shí)，比較器1 的輸出電壓Vd為高，經(jīng)過觸發(fā)器使得電壓Ve為高。當(dāng)電壓Vc的低于電壓VREF時(shí)，比較器1 的輸出電壓Vd為低，電壓Ve的電平由TOFF1_CK 決定。由于在電壓Vd變低以前TOFF1_CK 已經(jīng)為高電平，所以當(dāng)電壓Vd為低時(shí)，電壓Ve也為低。電壓Ve經(jīng)上升沿檢測模塊產(chǎn)生輸出脈沖Vf，提供給RS 觸發(fā)器。經(jīng)過后面的邏輯控制、預(yù)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)功率管，打開功率管。

圖3 功率管開通控制電路及時(shí)序

在電路穩(wěn)定工作以后，充放電平衡。電容C1上的充電電荷與放電電荷相同。有如下關(guān)系存在:

先設(shè)定:

式(17)可以通過電壓轉(zhuǎn)化電流結(jié)構(gòu)方便實(shí)現(xiàn)。再設(shè)定:

其中R1為電壓轉(zhuǎn)化成電流時(shí)的等效電阻，I0是內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電流，通過內(nèi)部電路的設(shè)置，可以保證I2始終大于零。

則可以得到:

這樣，就能滿足式(11)的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)PFC 功能和輸出恒流功能。

根據(jù)前面的描述，本電路能實(shí)現(xiàn)PFC 功能和輸出恒流功能。并且輸出的恒流值與輸入電壓的有效值無關(guān);輸出的恒流值與輸出電壓也無關(guān)。

對于采用光耦反饋的電路，由于采用閉環(huán)控制，需要有一個(gè)大電容來濾除100 Hz 的紋波，對于負(fù)載變化的環(huán)路響應(yīng)慢，導(dǎo)致電路在LED 短路時(shí)，會(huì)發(fā)生電流過沖，會(huì)燒壞功率管，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆炸起火。為了避免這種情況的發(fā)生，要求功率管有較大的功率和耐壓余量。

由本電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)知，輸出電流在每個(gè)開關(guān)周期都是直接控制，沒有要濾去100 Hz 輸入電壓紋波的電容，電路對LED 短路有固有的保護(hù)功能，在LED短路時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)一般恒流控制電路由于環(huán)路響應(yīng)導(dǎo)致的負(fù)載變動(dòng)時(shí)電流過沖的問題，可解釋如下。

在LED 短路時(shí)，輸出電壓為零，這樣副邊續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間Toff1變長，為保證式(15)成立，開關(guān)周期T 變長，以維持電路處于恒流狀態(tài)。電路還是處于恒流狀態(tài)，此時(shí)Vout=0，副邊反激時(shí)的電壓為整流二極管的電壓Vd，輸出功率為恒流值與整流二極管電壓Vd的乘積。此時(shí)相應(yīng)的輸入功率與之匹配。顯然這個(gè)功率很低。

在整個(gè)電路結(jié)構(gòu)中，啟動(dòng)前，由AC 通過電阻給VCC電容充電來為芯片供電，啟動(dòng)后由反激的輔助繞組給VCC電容供電。但是在LED 短路狀態(tài)下，反激的輔助繞組不能給VCC電容供電，只有部分漏感能量和AC 通過啟動(dòng)電阻提供給VCC電容，而這不足以提供芯片耗電。所以VCC電容掉電到芯片正常供電電壓以下，芯片發(fā)生欠壓保護(hù)，功耗降低，而后AC又通過電阻給VCC電容充電，電路啟動(dòng)，如果LED 還是短路，則又發(fā)生VCC欠壓保護(hù)，如此往復(fù)。此時(shí)電路整體總功耗很低，電路安全可靠。

2 測試結(jié)果

根據(jù)前面描述的控制方法，設(shè)計(jì)了控制電路。下面給出控制電路的測試結(jié)果，主要考察恒流特性以及功率因素調(diào)整特性。

以8 瓦的運(yùn)用為例，具體運(yùn)用線路見圖4。相應(yīng)的測試結(jié)果見表1。

圖4 單級原邊控制器8 瓦運(yùn)用線路圖

表1 單級原邊控制器測試結(jié)果

表1 數(shù)據(jù)是串接8 盞LED 的測試結(jié)果，其中AC 供電是APC－500 W，THD和PF 用WT210 POWER METER 測試?？芍?輸入AC 電壓在85～265Vac，頻率50 Hz 時(shí)，電路的PF值大于0.95，THD小于12.85，輸出恒流值在353 mA～358 mA。達(dá)到了較好的效果。

圖5 接不同LED 數(shù)量時(shí)輸出電流(負(fù)載調(diào)整率)

圖5 給出了接4～9 盞LED 時(shí)，輸出恒流值的變化。輸出電流值從353 mA～363 mA 變化。產(chǎn)生這個(gè)變化的原因是:由過零檢測電路得到的副邊續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間與真實(shí)值之間存在偏差，這種偏差可以通過優(yōu)化過零檢測電路加以減小直至消除。

3 結(jié)論

本文給出了一種單極、原邊控制實(shí)現(xiàn)恒流LED 驅(qū)動(dòng)器。分析了實(shí)現(xiàn)的原理和結(jié)構(gòu)，并且利用這個(gè)原理設(shè)計(jì)了控制電路。通過對恒流特性測試、PF值測試、THD 測試。電路完全達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)。能廣泛用于AC供電、PF值要求較高、隔離供電的LED 驅(qū)動(dòng)場合。

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