LED電源驅(qū)動器功率校正電路仿真研究

李房云,付 悅,譚金平

(南昌航空大學(xué)科技學(xué)院,江西 九江 332020)

1 引言

現(xiàn)如今,不可再生能源方面面臨的危機(jī)越來越大,節(jié)能問題備受關(guān)注,因此,LED照明具有良好的發(fā)展前景。LED照明需要不斷提升驅(qū)動轉(zhuǎn)換效率,使其成為通用照明。LED電源驅(qū)動器作為開關(guān)電源技術(shù)中的一個分支,目前已經(jīng)受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注,很多開關(guān)電源廠家投入了大量人力物力對LED電源驅(qū)動器進(jìn)行研發(fā)。當(dāng)前LED電源驅(qū)動器采用的驅(qū)動方式均為恒流驅(qū)動,功率易發(fā)生畸變,一定程度上對推廣 LED 照明造成了影響。研究LED電源驅(qū)動器功率校正電路能夠提升LED電源的使用壽命,從而為LED產(chǎn)品帶來更長久的使用壽命,因此,對LED電源驅(qū)動器功率校正電路的研究具有重要意義。

目前很多學(xué)者都在對該問題進(jìn)行研究。其中閻鐵生、陶權(quán)保、胡嘯天等學(xué)者[1]提出一種單級Cuk PFC雙路恒流輸出功率校正驅(qū)動電路,減少了控制器與電感的數(shù)量,降低了LED電源驅(qū)動器的成本和體積。李紅巖、劉韓飛、王偉峰等學(xué)者[2]提出一種集數(shù)字PID整定算法、溫度采集電路、實時監(jiān)測電路等于一體的功率校正驅(qū)動電路。師翔、崔玉旺、趙永瑞等學(xué)者[3]則提出一種多環(huán)路負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的功率校正電壓跟隨電路。

但是,以上已有研究方法在應(yīng)用過程中均存在用電效率偏低的問題,電源電路的輸入電壓和電流仍會發(fā)生諧波畸變。為解決此問題,設(shè)計新的LED電源驅(qū)動器功率校正電路,并對其進(jìn)行仿真測試。

2 LED電源驅(qū)動器功率校正電路仿真設(shè)計

2.1 變壓器仿真設(shè)計

使用PSpice 軟件實施功率校正電路的建模與仿真設(shè)計,使用的仿真程序為PSpice Model Editor[4]。

對于變壓器的仿真設(shè)計,選用PQ69＿52型號的變壓器磁芯,材質(zhì)為PC44,構(gòu)建變壓器的磁芯模型。根據(jù)磁芯模型對變壓器參數(shù)進(jìn)行仿真計算[5]。

構(gòu)建的變壓器磁芯模型具體如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的變壓器磁芯模型

首先對變壓器進(jìn)行加氣隙處理。使其能夠承受大電流,對更多能量進(jìn)行傳遞,加氣隙的參數(shù)設(shè)計公式為:

(1)

式(1)中f表示變壓器在連續(xù)電流模式中出現(xiàn)的直流分量;q指變壓器磁芯功耗;H表示氣隙有效體積;B表示導(dǎo)通周期處于初始端時所對應(yīng)的電流值;PR是指變壓器磁芯設(shè)計功率;s表示磁芯鐵氧體的對應(yīng)磁導(dǎo)率;r是指變壓器磁芯熱阻[6]。

接著綜合變壓器磁芯的工作環(huán)境、表面熱輻射等決定變壓器傳輸功率,將其設(shè)計為120W。

變壓器的匝數(shù)比設(shè)計公式具體如下

(2)

式(2)中U1表示磁芯輸出電壓;U2是指次級整流管的對應(yīng)壓降,所選用的次級整流管為600V的次級快恢二極管,其壓降為2V;Vinmin表示輸入電壓最小有效值,將其設(shè)為221V;dmax是指鐵損最大降低指數(shù),將其設(shè)為0.6[7]。

變壓器的初級繞組導(dǎo)線截面積參數(shù)設(shè)計公式具體如下

(3)

式(3)中I1表示磁芯原邊電感;J是指磁芯副邊峰值電流。

變壓器的次級繞組導(dǎo)線截面積參數(shù)設(shè)計公式具體如下

(4)

式(4)中Pt表示磁芯原邊峰值電流[8]。

根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)對變壓器進(jìn)行仿真。

2.2 控制電路仿真設(shè)計

基于IR1150 單周期控制芯片實施EMI控制電路的仿真設(shè)計,解決LED驅(qū)動電源的電磁干擾問題。

首先實施控制電路開關(guān)頻率的仿真設(shè)計,在IR1150名為FREQ 的引腳處接入一個Rt電阻,電阻大小為80kΩ,根據(jù)電阻大小將控制電路開關(guān)頻率設(shè)計為150kHz[9]。

接著對控制電路的電流采樣電阻與濾波進(jìn)行設(shè)計,IR1150通過引腳ISNS輸入電流采樣信號。在控制電路中,該引腳的采樣對象是采樣電阻的電流采樣信號,根據(jù)芯片工作時的最大負(fù)載功率和最小輸入電壓決定控制電路采樣電阻的最大允許值,具體如下式所示

(5)

式(5)中Ve表示芯片工作時的最大負(fù)載功率;Ioi是指芯片工作時的最小輸入電壓。

在控制電路中加入RC低通濾波電路以減少采樣誤差。該電路的濾波轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計公式具體如下

(6)

式(6)中RP表示RC低通濾波電路的電阻;CP是指RC電路的電流信號采樣負(fù)值。

控制電路電壓反饋電阻的設(shè)計具體如下:將總阻值定為1MΩ,選用Rw1、Rw2、Rw3這三個電阻進(jìn)行串聯(lián)。其中Rw1、Rw2是誤差為1%、阻值為499kΩ的功率電阻,則Rw3的阻值為17.8kΩ,具體計算公式如下

(7)

式(7)中VD表示總電阻的功率消耗;Vq是指Rw1、Rw2的誤差。

根據(jù)電壓反饋電阻決定芯片的過壓保護(hù)閾值,具體設(shè)計公式如下

(8)

式(8)中VI表示IR1150的內(nèi)部過電壓。

就此完成控制電路的仿真設(shè)計。

2.3 電源濾波器仿真設(shè)計

在電源濾波器的仿真設(shè)計中,濾波電感需要在寬頻率范圍內(nèi)擁有較為穩(wěn)定的磁導(dǎo)率,同時其磁導(dǎo)率要高,濾波電容的選擇則需要實施1500V-1700V直流電壓下的耐壓測試。綜合以上條件,選擇FSD32濾波電感、FDDF21差模濾波電容、FDDF23共模濾波電容。

電源濾波器的電路仿真設(shè)計具體如圖2所示。

圖2 電源濾波器的電路仿真設(shè)計

在電源濾波器的安裝中,為保證其濾波和散熱效果,需要將其安裝在LED電源驅(qū)動器的機(jī)殼上,并且其接地點與機(jī)殼的接地點需要保持一致[10]。

2.4 功率因數(shù)校正變換器仿真設(shè)計

在功率校正電路的仿真設(shè)計中,功率因數(shù)校正變換器選用的是LLC 諧振變換器,交流電經(jīng)過電源濾波器會變?yōu)?00Hz的正弦半波,而通過LLC 諧振變換器能將其升壓為400V的DC電壓,可以保證正弦半波電壓和電流電感成正比例關(guān)系,使二者呈現(xiàn)一致的相位,實現(xiàn)功率因數(shù)校正的作用[11]。

在功率因數(shù)校正變換器的仿真設(shè)計中,選用的功率因數(shù)校正芯片為FAN7930芯片。該芯片主要通過PWM模式來控制,對輸出負(fù)載產(chǎn)生的變化能夠迅速響應(yīng),通過8腳SOP來封裝?；贔AN7930芯片構(gòu)建 LLC 諧振變換器的小信號模型。分析不同模態(tài)下,LLC諧振變換器的工作狀態(tài);獲取變換器中副邊二極管和原邊開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)的條件,設(shè)計變換器的三種工作模式。

其中在電流電感斷續(xù)工作模式中,在關(guān)斷原邊開關(guān)管時,電感的能量會完全傳輸?shù)捷敵鲐?fù)載端,而導(dǎo)通時,電感電流會保持線性上升模式直到上升到峰值電流值。

峰值電流值的設(shè)計具體如下式所示

(9)

式(9)中LZ表示電感值;V*是指輸入電流值;TON表示電壓反饋控制系數(shù)。

當(dāng)關(guān)斷原邊開關(guān)管后,將電感儲存能量的值設(shè)計為下式

(10)

為實現(xiàn)此模式,電感取較小的值,以使輸入電流斜率較大,儲存較大能量,同時保證關(guān)斷原邊開關(guān)管時電流能夠迅速下降。

電流電感斷續(xù)工作模式主要應(yīng)用于較小輸出功率的場合中。

在電流電感連續(xù)工作模式中,功率因數(shù)校正變換器能夠產(chǎn)生沒有紋波、比較平滑的正弦波輸入電流。在此模式中,取較大的電感值,使輸入電流斜率較小,在一個副邊二極管運行周期內(nèi)產(chǎn)生的變化也較小,從而帶來較小的峰值紋波[12,13]。

在該模式下副邊二極管峰值電流值的設(shè)計具體如下式所示

(11)

通過乘法器方法實現(xiàn)該模式中的功率因數(shù)校正,該模式主要適用于較大輸出功率的場合中。

在電流電感臨界導(dǎo)通工作模式中,將副邊二極管和原邊開關(guān)管的開關(guān)頻率設(shè)定為可變因素,保持固定不變的導(dǎo)通時間,設(shè)定以下工作模式[14,15]：

當(dāng)副邊二極管和原邊開關(guān)管呈現(xiàn)正向的驅(qū)動脈沖時,導(dǎo)通開關(guān)管,使電感充電,達(dá)到以下電感峰值電流

(12)

式(12)中,V**表示次模式中的輸入電流值。

由于I***與V**成反比,可以實現(xiàn)最佳的功率因數(shù)校正效果。

電流電感臨界導(dǎo)通工作模式是電流電感連續(xù)工作模式與電流電感斷續(xù)工作模式的臨界狀態(tài)。

3 電路性能測試

3.1 實驗準(zhǔn)備

對設(shè)計的LED電源驅(qū)動器功率校正電路仿真成果進(jìn)行測試,在測試中,實驗裝置準(zhǔn)備具體如圖3所示。

圖3 實驗裝置準(zhǔn)備

實驗參數(shù)設(shè)計具體如下:

● LED電源驅(qū)動器開關(guān)頻率:125kHz;

● LED電源驅(qū)動器額定負(fù)載:1kΩ;

● 輸出電壓:100V;

● 輸入電壓:20-120V。

在仿真測試中,為證明提出的仿真成果的優(yōu)越性,將單級Cuk PFC雙路恒流輸出功率校正驅(qū)動電路、集數(shù)字PID整定算法、溫度采集電路、實時監(jiān)測電路等于一體的功率校正驅(qū)動電路、多環(huán)路負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的功率校正電壓跟隨電路的仿真電路作為對比項,進(jìn)行對比實驗。分別將三種電路命名為仿真電路1、仿真電路2以及仿真電路3。利用Simulink軟件展開仿真測試。

3.2 輸入電壓與輸入電流波形仿真對比測試

對于設(shè)計的仿真電路與三種對比仿真電路,其輸入電壓波形仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸入電壓波形仿真結(jié)果

根據(jù)圖4的輸入電壓波形仿真結(jié)果,設(shè)計的仿真電路表現(xiàn)出了寬脈沖的狀態(tài),輸入電壓畸變最小;仿真電路1表現(xiàn)出了較寬脈沖的狀態(tài),輸入電壓畸變較小;而仿真電路2、仿真電路3表現(xiàn)出了窄脈沖的狀態(tài),輸入電壓畸變較大。通過電壓畸變的對比,設(shè)計的仿真電路的功率因數(shù)最大。

四種對比仿真電路的輸入電流波形仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸入電流波形仿真結(jié)果

圖5的輸入電流波形仿真結(jié)果表明,在四種測試仿真電路中,設(shè)計的仿真電路表現(xiàn)出了最寬的脈沖狀態(tài),表明在四種仿真電路中,設(shè)計仿真電路的輸入電流畸變最小,功率因數(shù)最大。

3.3 諧波分析對比測試

設(shè)計的仿真電路與三種對比仿真電路的電流諧波情況具體如圖6所示。

圖6 電流諧波情況

根據(jù)圖6的電流諧波情況數(shù)據(jù),設(shè)計的仿真電路的電流諧波最低,能夠提升LED電源驅(qū)動器的供電質(zhì)量,有利于其功率因數(shù)的提高;而另外三種仿真電路的電流諧波均高于設(shè)計的仿真電路,說明供電質(zhì)量較差,功率因數(shù)較低。

四種仿真電路電壓諧波的畸變情況具體如圖7所示。

圖7 四種仿真電路電壓諧波的畸變情況

根據(jù)圖7四種仿真電路的電壓諧波畸變率數(shù)據(jù)可知,設(shè)計的仿真電路的電壓諧波畸變率最低,說明通過設(shè)計的仿真電路后,輸入電壓還可以保持的較為標(biāo)準(zhǔn),諧波畸變較少,功率因數(shù)較高;而另外三種對比仿真電路的電壓諧波畸變率則較高,說明經(jīng)過這三種仿真電路后,輸入電壓會產(chǎn)生較大的諧波畸變,整體功率因數(shù)較低。

3.4 220V滿載時波形仿真對比測試

在220V輸入滿載狀態(tài)時,測試設(shè)計的仿真電路與三種對比仿真電路的電感電流紋波波形具體如圖8所示。

圖8 四種仿真電路的電感電流紋波波形

根據(jù)圖8四種仿真電路的電感電流紋波波形數(shù)據(jù),設(shè)計的仿真電路的電感電流紋波波形波動最小,其次是仿真電路2、仿真電路1、仿真電路3。說明設(shè)計的仿真電路的電感電流最穩(wěn)定,波動幅度最小,功率因數(shù)最高。

4 結(jié)束語

針對LED電源驅(qū)動器在功率因數(shù)校正的應(yīng)用需求,以提高LED電源驅(qū)動器的用電效率、減少LED電源驅(qū)動器造成的電網(wǎng)諧波污染情況為目的,設(shè)計了一種LED電源驅(qū)動器的功率校正仿電路,對于LED產(chǎn)品走向通用照明有很大意義。由于研究時間的限制,一些細(xì)節(jié)并未進(jìn)行深入的剖析與探討,將會在日后完善研究細(xì)節(jié)。