常見中小功率LED驅(qū)動電路分析

張選利

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州350116）

常見中小功率LED驅(qū)動電路分析

張選利

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州350116）

主要介紹幾種常見中小功率隔離型單級PFC的驅(qū)動電路拓撲，主要有Buck+Flyback、Boost+Flyback、Buck-Boost+Flyback電路，這些電路將AC-DC和DC-DC兩級變換器集成在一起，既實現(xiàn)功率因數(shù)校正，又減少開關(guān)器件和控制電路，提高電路的效率。

0 引言

LED是繼白熾燈，熒光燈和HID燈之后的第四代新型電光源之一，是一種典型的節(jié)能、環(huán)保綠色照明光源。與傳統(tǒng)光源相比，它具有無法比擬的優(yōu)點：綠色環(huán)保；使用壽命長；高效節(jié)能；響應(yīng)速度快；應(yīng)用靈活，控制方便；可靠耐用，便于維護；光色好[1-2]除通用照明場合外，LED還適合孤島、高山等區(qū)域。

LED照明光源需要專用適配的驅(qū)動電源。品質(zhì)優(yōu)良的驅(qū)動電源無疑會使LED光源的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，并使整個照明系統(tǒng)的處于最佳的工作狀態(tài)。對于LED驅(qū)動電源而言，首先應(yīng)具備高效率的特點，減少能量損失；其次應(yīng)該具備高功率密度特點，減小體積，節(jié)約成本；應(yīng)注意隨著體積的減小，勢必造成電源發(fā)熱過大，影響驅(qū)動電源壽命，尤其對于燈體與驅(qū)動電源集成一體的照明系統(tǒng)而言，還會影響光源的發(fā)光效率。因此，效率高、體積小、工作壽命長、成本低和考慮LED電光源光學(xué)特性，是LED電源設(shè)計的要點。

1 LED照明驅(qū)動電路分類與要求

LED電源驅(qū)動電路的種類較繁多。根據(jù)功率等級的不同，采用的電路拓撲也不相同：（1）大功率常采用AC-DC和DC-DC兩級變換器，如Boost-LLC諧振變換器等。（2）小功率電路常采用簡單的Buck、Flyback變換器等簡單電路即可。（3）中、小功率電路常用一個AC-DC和DC-DC變換器集成的單級PFC電路[1]。

在照明領(lǐng)域內(nèi)，特別是道路照明、景觀照明和工業(yè)照明等領(lǐng)域內(nèi)，LED照明功率的需求也越來越大。根據(jù)2005年國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，簡稱IEC）頒布的IEC 1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，照明設(shè)備功率只要超過25W，就必須滿足該標(biāo)準(zhǔn)的C類標(biāo)準(zhǔn)，即驅(qū)動電路的整流部分必須采用功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，簡稱PFC）技術(shù)，限制驅(qū)動器網(wǎng)側(cè)輸入電流的各次諧波分量，提高功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的電磁污染?；诟鞣N安規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，LED驅(qū)動電路輸入與輸出通常采用隔離型結(jié)構(gòu)。常見有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，簡稱APFC）變換器分為兩級功率因數(shù)校正電路和單級功率因數(shù)校正電路。

兩級功率因數(shù)校正電路是最常見、研究較成熟的功率因數(shù)校正電路，主要包含兩個功率處理級，第一級是AC/DC PFC變換級，一般采用非隔離拓撲；第二級是DC/DC變換級，一般采用隔離拓撲。但是，兩級有源PFC技術(shù)要求電路元器件比較多，控制比較復(fù)雜，成本較高，在很多中小功率的應(yīng)用場合，其性價比不是很高。

對于中小功率負載而言，單級功率因數(shù)校正電路具有小型化、低成本、高可靠性等優(yōu)勢。其主要思想是將實現(xiàn)PFC功能的AC/DC級與DC/DC級整合集成一級，共用一個開關(guān)管，一套控制電路。這樣元器件數(shù)量減少了，電路成本降低了、器件損耗也減少、電路可靠性也得到了提高[2-3]。

2 常見隔離型LED驅(qū)動單級PFC的電路拓撲

常見用于LED驅(qū)動隔離型單級PFC的電路拓撲有Buck+Flyback、Boost+Flyback、Buck-Boost+Flyback電路[2-8]。下面是這幾組電路的原理分析與比較。

（1）Boost+Flyback單級PFC電路如圖1所示。其工作原理見圖2和圖3所示。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，輸入對LB電感進行充電，二極管D2支路導(dǎo)通，D1支路截止，Bulk電容CB經(jīng)開關(guān)管Q1對變壓器原邊激磁電感充電；

當(dāng)開關(guān)管Q1截止時，LB電感通過電容CB進行放電，二極管D2支路截止，D1支路導(dǎo)通。變壓器副邊對負載進行供電。

Boost+Flyback單級PFC電路前級工作在DCM模式，后級也工作在DCM模式時，其中Bulk電容的電壓與負載沒有關(guān)系，只與輸入電壓及變壓器勵磁電感與升壓電感LB的比值有關(guān)系這樣可以實現(xiàn)輸出電壓快速調(diào)節(jié)。如果Boost+Flyback單級變換器的前級工作DCM模式時，后級工作在CCM模式時，Bulk電容的電壓與輸入電壓及負載都有關(guān)系，負載越輕，儲能電容電壓越高，此外BOOST電路本身就有升壓功能，所以電容CB上的電壓要高于輸入電壓，期望是電容上的電壓應(yīng)力越低越好。

圖1 Boost+Flyback單級PFC電路

此外根據(jù)其工作原理可知，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，流過開關(guān)管的電流為Boost電感電流與Flyback原邊電感電流的代數(shù)和。所以開關(guān)管的電流應(yīng)力較大，開關(guān)管損耗也較大，不利于這個電路的效率的提高。

圖2 ton期間等效電路

（2）Buck-Boost+Flyback單級PFC電路如圖4所示。電路的工作原理如圖5和圖6所示。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，輸入對LB電感進行充電，二極管D2支路導(dǎo)通，D1支路截止，Bulk電容CB經(jīng)開關(guān)管Q1對變壓器原邊激磁電感充電；當(dāng)開關(guān)管Q1截止時，LB電感通過D1對電容CB進行充電；變壓器副邊對負載進行供電。由圖5可知，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，流過開關(guān)管的電流也是電感LB上電流與Flyback原邊電感電流之和。所以該拓撲結(jié)構(gòu)也存在輸入電流是開關(guān)電流，紋波大，EMI問題突出，開關(guān)管上電流應(yīng)力較大，此外該電路的電壓應(yīng)力也較大，這些都不利于驅(qū)動電路效率的提升，而且Buck-Boost電路的輸入與輸出端極性相反。

圖3 toff期間等效電路

圖4 Buck-Boost+Flyback單級PFC電路

圖5 ton期間等效電路

圖6 toff期間等效電路

（3）Buck+Flyback單級PFC電路如圖7所示。當(dāng)Vg＜VB時，其工作原理如圖8所示，整流橋斷開，D3，D1開路，LB不充電，電路等效Flyback工作，電容CB放電，將能量送到負載。

圖7 Buck+Flyback單級PFC電路

圖8 Vg＜VBBuck+Flyback工作模態(tài)

圖9 Vg＞VB和Q1導(dǎo)通，Buck+Flyback工作模態(tài)

如圖9，當(dāng)Vg＞VB，開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，如果流過電感LB的電流iB＞iF（流過Flyback原邊的電感電流）時,則開關(guān)管Q1流過的電流為電感LB的電流iB，D1導(dǎo)通，其上流過電流為iB?iF，D2截止；如果流過電感LB的電流iB＜iF時,開關(guān)管Q1上流過電流為iF，D2導(dǎo)通，其上流過電流為iF?iB。由此可知，開關(guān)管Q1上的電流為iB和iF中最大者，它不是兩者電流的代數(shù)和。如圖10，當(dāng)Vg＞VB，開關(guān)管Q1截止時，D1和D2截止，D3導(dǎo)通，電感LB通過電容CB和D3進行續(xù)流。同時變壓器的副邊二極管D4導(dǎo)通，向負載提供能量。

該電路拓撲的特點是，首先BUCK電路具有降壓的功能，電容CB上的電壓較小，適合于驅(qū)動LED照明裝置；其次，拓撲中流過開關(guān)管的電流為Buck電感電流與Flyback原邊電感電流中較大的一個，開關(guān)管電流應(yīng)力較小。此外，若兩級都工作在DCM模式，電容上的電壓將與負載的大小無關(guān)，而是與輸入電壓以及Buck電感和Flyback原邊電感的比值有關(guān)。所以該電路的也可實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)的作用。但該電路一個重要不足之處在于輸入電流是開關(guān)電流，紋波大，EMI問題不易抑制。

圖10 Vg＞VB和Q1關(guān)斷，Buck+Flyback工作模態(tài)

3 結(jié)語

LED驅(qū)動電路的是綠色光源LED正常工作的基本保證，本文介紹了常見中小功率的LED驅(qū)動電源拓撲——Buck+Flyback、Boost+Flyback、Buck-Boost+Flyback。這些單級PFC的LED驅(qū)動電路只用一個開關(guān)器件，一套控制電路就能實現(xiàn)實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，又能實現(xiàn)DC-DC變換作用，大大提高了LED變換器的效率。

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Analysis of Common Small and Medium Power LED Drive Circuit

ZHANG Xuan-li

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 35016)

Introduces several common LED driver circuits,such as Buck+Flyback,Boost+Flyback,Buck-Boost+Flyback.Because the AC-DC and DC-DC are integrated together,not only realizes the Power Factor Correction,but also reduces the switching devices and the control cir?cuits,and improves the efficiency of the circuit.

1007-1423（2017）27-0037-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.009

LED；PFC；隔離型驅(qū)動電路

張選利（1965-），女，副教授，研究方向為電力電子與電子變流技術(shù)

2017-06-22

2017-08-10

LED;PFC;Isolated Driver Circuit