工程師淺談如何執(zhí)行高功率因數(shù)的LED驅(qū)動器設計

1 LED照明的發(fā)展概述

消費者從傳統(tǒng)照明轉(zhuǎn)換到LED照明是已經(jīng)被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節(jié)省80%的能源，其壽命可以長至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節(jié)能燈，不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，如水銀，汞等重金屬物質(zhì)，也沒有像節(jié)能燈(CFL)在啟動時暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡到對環(huán)境與能源的厲害關系，政策上也會加速推廣LED照明，因為LED照明在發(fā)光原理、節(jié)能、環(huán)保的層面上都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，盡管短時間內(nèi)LED照明的成本很高，譬如傳統(tǒng)60W白熾燈零售價格只有7W LED燈的1/10還不到，所以家庭用戶現(xiàn)階段對LED燈的價格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設中的商業(yè)照明市場中，如酒店和商場都使用了LED照明，已鮮見再有傳統(tǒng)照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅(qū)動部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數(shù)。發(fā)達國家在照明領域里的能源問題已非常重視，譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規(guī)定，住宅照明驅(qū)動器的功率因數(shù)PF必須大于0.7，商業(yè)照明大于0.9的強制性要求。

2 主動式LED驅(qū)動器

主動式功率因數(shù)校正常規(guī)上采用兩極拓撲來實現(xiàn)，前級用升壓電路結(jié)構(gòu)，后級直流轉(zhuǎn)換部分用隔離反激式結(jié)構(gòu)，如圖4.1示，功率因數(shù)校正芯片用恩智浦半導體的SSL4101控制器，它運行在臨界導通模式下，恒定導通時間控制，流過電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關系，所以輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數(shù)。這種控制環(huán)路可靠度高，常在中、大功率驅(qū)動器中使用。SSL4101也集成了反激轉(zhuǎn)換控制功能，如目前常采用準諧振斷續(xù)式控制，準諧振工作的特點就是確保主開關上的寄生電容上的電壓降到最低時導通，降低開關損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。

圖1：兩級主動式功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)圖

3 單級功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器

3.1 采用單級功率因數(shù)校正的原因

不管是用填谷方式或主動式功率因數(shù)校正技術來提高功率因數(shù)，都有其各自的優(yōu)缺點，如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容，已致于元件成本和尺寸在緊湊型的LED燈設計中存在一定的局限性。兩級主動式結(jié)構(gòu)雖然能將功率因數(shù)和諧波性能實現(xiàn)得最好，但功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)較為復雜，使電源的成本和體積增加，由此產(chǎn)生了單級功率因數(shù)校正技術，其拓撲是將功率因數(shù)校正電路中的開關元件和后級DC-DC變換器的開關元件合并和復用，將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數(shù)變換器有以下優(yōu)點：1)開關器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低;2)控制電路通常只有一個輸出回路，簡化了控制回路;3)單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點，單級功率因數(shù)校正電路在中小功率LED驅(qū)動器中優(yōu)勢非常明顯。

3.2 單級降壓式功率因數(shù)校正的工作原理

前面提及了傳統(tǒng)降壓式BUCK結(jié)構(gòu)中功率因數(shù)過低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經(jīng)主開關管上的電流平均值調(diào)整成接近于電壓變化的相位，也就是在每個周期內(nèi)，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達到高功率因數(shù)的目的。

圖2所示線路是用來調(diào)整主開關電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發(fā)射極端得到一個兩倍于市電的頻率，且近似于半正弦波的變化電平，這樣再把這個電平提供給控制芯片SSL2109電流回授腳，芯片內(nèi)部再去調(diào)制主回路工作頻率，使流過主開關管的平均電流形成近似半正弦的形狀。

圖2：單級功率因數(shù)調(diào)整電路

3.3 反激式結(jié)構(gòu)中驗證單級功率因數(shù)調(diào)整電路

當然，單級降壓結(jié)構(gòu)中的功率因數(shù)矯正的外圍線路也可以用到隔離反激式結(jié)構(gòu)中，因為，在一部分LED照明中，隔離反激式結(jié)構(gòu)的設計需求也是非常多的。圖3是試驗在隔離反激式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，從測試出來的結(jié)果看到，功率因數(shù)和諧波電流與在降壓式結(jié)構(gòu)中得的結(jié)果基本相同，都能做到功率因數(shù)(PF)值大于0.9和諧波電流小于20%的性能。

圖3：功率因數(shù)調(diào)整線路在反激結(jié)構(gòu)應用結(jié)果

4 總結(jié)

本文就LED照明驅(qū)動器的設計方案做了相關探討和研究，特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數(shù)和低電流諧波性能，經(jīng)過理論分析和實際實驗論證，證明出在傳統(tǒng)降壓式結(jié)構(gòu)上改進出的單級功率因數(shù)調(diào)整式結(jié)構(gòu)是可以完全達到高功率因數(shù)和低諧波的性能，也能容易地應用于LED照明驅(qū)動器的實際設計。