一種兩級式LED恒流驅(qū)動電源設(shè)計

胡國珍　馬學(xué)軍　陸小洲　彭劍

摘 要：根據(jù)LED驅(qū)動電源設(shè)計要求，對設(shè)計方案進(jìn)行合理論證，前級功率因素校正采用升壓型斬波電路，控制芯片采用仙童公司的FAN7527，后級采用隔離式單端反激電路實現(xiàn)降壓型DC/DC變換，控制芯片為TI公司的UC3843；此外為滿足LED驅(qū)動電源恒流輸出特性，設(shè)計中采用AP4310設(shè)計一個恒流限壓控制器?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)，完成一款實驗樣機(jī)，通過測試和分析，實驗波形與理論波形基本一致，完成本次設(shè)計要求的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LED DC/DC變換；功率因素；UC3843；恒流

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：According to the design requirements of LED Current drirer， this design plan for a reasonable argument. The first stage power of factor correction adopted boost chopper circuit and its control chip is Fairchild's FAN7527. Isolated singleended flyback circuit buck type DC/DC converter was used as the second stage and its controller chips is TI's UC3843. In addition， to meet the output characteristics of constant current ，AP4310 was designed as constant current controller. Based on the above structure， experimental prototype of LED driver was realized. Through testing and analysis， experimental waveforms were consistent with the theoretical waveform and the proposed LED driver meets the design requirements.

Key words：LED DC / DC conversion；power factor correction；UC3843；constant current

1 引 言

近年來，能源危機(jī)使世界各國開始關(guān)注綠色節(jié)能照明問題，新型光源也應(yīng)運而生。發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）具有高效、節(jié)能、無污染、模擬自然光等優(yōu)點，在最近幾年得到快速發(fā)展，逐漸成為照明市場的主流，世界各國政府和公司已投入大量資金用于白光LED的開發(fā)和推廣。LED主要可應(yīng)用于信號指示、裝飾照明、景觀照明，家具照明、路燈等，不同應(yīng)用場合的照明必須設(shè)計對應(yīng)的驅(qū)動電源才能滿足需求[1-3]。

由于LED自身的伏安特性及溫度特性，對驅(qū)動電源的要求非常高，必須研發(fā)可靠、穩(wěn)定的驅(qū)動器與之匹配[4-5]。通常，對于LED驅(qū)動器的基本要求有：高功率因素（Power Factor Corrector，PFC），高效率，恒流控制等，本文選用最新應(yīng)用控制芯片，通過合理的外圍電路設(shè)計，完成了一款LED驅(qū)動電源。

2 方案論證

LED驅(qū)動電源設(shè)計中，通常采用橋式整流和電解電容濾波電路來實現(xiàn)AC/DC變換，為下級變換器提供直流電。由于整流二極管具有單向?qū)щ娦?，只有在正向偏置時才會導(dǎo)通，也就是交流輸入電壓的半個周期中，只有交流電壓峰值高于電解電容電壓整流二極管才會導(dǎo)通。因此，在交流電壓的半個周期內(nèi)，每對二極管的導(dǎo)通角往往只有60o-70o。雖然交流輸入電壓仍然能保持正弦，但輸入電流卻出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，呈幅度很高的尖峰狀脈沖，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功率因素很低，一般僅有0.5-0.6，影響電源的利用率，對電能造成巨大浪費。此外，輸入端產(chǎn)生的諧波電流也會對電網(wǎng)造成污染，影響電能質(zhì)量和供電品質(zhì)，同時也會對系統(tǒng)中其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾[6]。

美國能源部于2008年10月發(fā)布的固態(tài)照明光源“能源之星”規(guī)范要求：任何功率等驅(qū)動電源都需要強(qiáng)制進(jìn)行功率因數(shù)校正；住宅應(yīng)用LED燈具的功率因素>0.7，商業(yè)用LED燈具的功率因素>0.9。因此在本設(shè)計中首先應(yīng)考慮功率因素校正環(huán)節(jié)。典型功率因素校正方式有無源PFC和有源PFC兩種類型。無源PFC電路只使用二極管、電阻、電容和電感等無源元件，拓?fù)浜唵?、成本低，但功率因素校正效果較差。實際LED驅(qū)動電源中較多采用有源PFC，有源功率因素校正技術(shù)是利用集成電路使電流波形主動跟隨電壓波形從而達(dá)到功率因素校正的目的，按電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分成降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式四種，本文選用比較成熟的是Boost升壓式電路結(jié)構(gòu)。

在直流供電方面，LED驅(qū)動電源按照驅(qū)動方式主要可以分為四類：電阻限流控制、線性控制、電荷泵變換器以及開關(guān)變換器等。開關(guān)變換器效率高、控制精準(zhǔn)，可以實現(xiàn)寬范圍的電壓/電流控制，非常適合大功率多串式LED 的控制。其中典型降壓型DC/DC變換有：非隔離降壓型（Buck）、反激式拓?fù)?、半橋拓?fù)?。非隔離降壓型一般應(yīng)用在1-10W場合；反激式一般用在25W-100W左右場合；100W以上一般選用半橋拓?fù)?，本文根?jù)功率等級選擇反激式隔離降壓變換器[6]。

此外，為了保證LED光源穩(wěn)定性及可調(diào)性，需要了解其基本電氣特性，如圖1所示為LED光通量與其正向電流、正向電壓的關(guān)系曲線[7]。從圖中可看到，LED的光通量僅取決于驅(qū)動電流的大小，LED 兩端的電壓近似為恒值。由此可知，LED 需要采用恒流控制，通過調(diào)節(jié)電流大小來調(diào)節(jié) LED 的輸出光通量。

3.1 PFC電路設(shè)計

PFC電路設(shè)計采用了升壓型斬波電路，控制環(huán)節(jié)主要由仙童公司功率因素校正控制芯片F(xiàn)AN7527完成，電路設(shè)計如圖3所示。輸出電壓經(jīng)R4、R5電阻分壓進(jìn)入1號腳，芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)器輸出與3腳輸入的半波電壓瞬時值相乘，乘法器輸出作為電感參考電流指令，與4腳輸入電流瞬時值比較，當(dāng)輸入電流值大于乘法器輸出時，輸出電平翻轉(zhuǎn)，RS觸發(fā)器置“0”，該電平由7腳輸出，關(guān)斷開關(guān)管。因此，乘法器輸出電流即為通過開關(guān)管的電流的門限值，該門限值隨輸入電壓的變化而近似呈正弦規(guī)律變化。當(dāng)開光管關(guān)斷后，變壓器L2電流慢慢減小，當(dāng)電流接近零時，又導(dǎo)致引腳5過零比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，將RS觸發(fā)器置“1”，開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流增大。重復(fù)上面的過程，電流波形接近正弦波，從而達(dá)到功率因素校正的目的。

3.2 DC/DC直流變換電路設(shè)計

本級設(shè)計選用UC3843作為控制芯片，UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器，具有可微調(diào)的振蕩器、精確的占空比控制、高增益誤差放大器、大電流圖騰式輸出等優(yōu)點，專為反激式DC/DC變換器應(yīng)用而設(shè)置，只需很少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案，其外圍電路設(shè)計如圖4所示。變換器開關(guān)頻率由R9、C12決定。反饋信號通過電阻R10、R11進(jìn)入2腳，通過芯片內(nèi)容高增益誤差放大器構(gòu)成控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)6腳輸出占空比大小。開關(guān)管電流通過R13進(jìn)行采樣進(jìn)入引腳3，當(dāng)流過開關(guān)管電流超過給定值時，關(guān)斷開關(guān)管。

3.3 恒流限壓控制電路設(shè)計

如前所述，LED驅(qū)動電源必須采用恒流方式。恒流控制的方式很多，此處主要利用AP4310作為主控芯片，來實現(xiàn)恒流限壓輸出，AP4310內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由2個運放組成，如圖5所示。AP4310的3號引腳自帶一個2.5V的基準(zhǔn)電壓（第一個運放的正向輸入端），通過R20、R21輸出電壓采樣反向輸入端（2號引腳），該運放構(gòu)成電壓控制環(huán)，當(dāng)方向輸入電壓過2.5V，輸出端為低，這樣反饋信號從光耦通過二極管D8到運放1的輸出端，從而實現(xiàn)限壓功能。同理，運放2用于調(diào)節(jié)電流，其同相端的參考電壓值由R22、R23決定，反向輸入端為從R16采樣電流反饋的電壓值，當(dāng)過流時，其反相端電壓超過同相，運放輸出低電位，從而使光耦通過二極管D9導(dǎo)通，反饋到開關(guān)模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)電流。

4 實驗測試

根據(jù)以上設(shè)計電路，在實驗室制作了一款LED驅(qū)動電源，實物圖片如圖6所示。

功率因素校正部分實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為PFC電路電感電流和PWM驅(qū)動波形，圖8 PFC電路電感電流和輸出交流電壓波形，通過圖中可看出輸入電流呈正弦，與輸入電壓相位接近，系統(tǒng)功率因素較整流電路有較大提高。

后級反激式DC/DC電路波形如圖9和圖10所示。圖9中頻率為71KHZ，占空比為36.49%。圖8為樣機(jī)輸出電壓和電流波形。

從以上波形可看出，設(shè)計的LED 驅(qū)動電源能較好的完成功率因素校正和恒流輸出驅(qū)動LED發(fā)光的功能。

5 總 結(jié)

本次設(shè)計根據(jù)LED的驅(qū)動電源設(shè)計要求和，對從功率因素和電路能量變換角度確定了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款高功率因素的LED恒流驅(qū)動電源，通過實驗驗證了LED驅(qū)動電路的有效性。

參考文獻(xiàn)

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