LED燈高功率因數(shù)驅動器的設計方案

隨著LED燈在眾多領域里的應用，譬如商業(yè)照明和家庭照明，LED照明已全面有取代傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈之勢，因為相比傳統(tǒng)照明，LED照明盡管在價格上偏貴于傳統(tǒng)照明，但它具備節(jié)能，光效高，壽命長，無污染等顯著優(yōu)點，所以，LED照明能在短時內被市場認同。另外，隨著能源資源無節(jié)制地消耗，帶有節(jié)能性能的照明產品已受到政府組織的推廣，一些國家的能源組織也有發(fā)布相關政策，補貼滿足其標準的照明產品。如商業(yè)照明產品功率因數(shù)大于0.9,家用大于0.7就是美國能源之星的強制要求之一。所以在關注LED燈高光效，長壽命特點的同時，在保證低元器件成本的前提下，設計出具有高功率因數(shù)且性能高可靠LED驅動方案變得尤為重要。

1 LED照明的發(fā)展概述

消費者從傳統(tǒng)照明轉換到LED照明是已經被認為是大勢所趨，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，如水銀，汞等重金屬物質，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)照明產品，盡管短時間內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 降壓式LED驅動器

2.1 介紹說明降壓式LED驅動器

三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK,升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地線上。每種結構都有其自身的特性，如靜態(tài)電壓轉換率，輸入輸出電流特性，輸出電壓紋波和最重要的頻率響應特性，最普遍和最簡單的結構要數(shù)降壓式BUCK結構，通常設計時選擇降壓結構是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結構。這里再提一下降壓式結構的另外一個特點，因為主開關管的電流在每個開關周期內都是由零上升到額定值，所以它的輸入電流總是非連續(xù)的，而輸出電流時連續(xù)的，這是由于輸出電流是依靠電感和輸出端的電容會提供的。

在實際LED驅動器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會采用降壓式結構，因為不僅結構簡單，而且元件成本和轉換效率上有明顯的優(yōu)點，所以其應用非常廣。

圖2.1:降壓結構線路圖和測試值

圖2.1是一個常規(guī)的BUCK降壓式線路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器，原理圖上可以看出它的外圍元件非常少，電路非常簡單，電感只需要一個繞組，不像其它控制器必須依靠另外的輔助繞組給芯片供電，這里它是采用了一顆高壓瓷片電容C5,連接到主開關管柵極來進行充電，所以芯片啟動后，正常工作的電平都來自于這顆電容的作用。效率方面，它能達到90%以上，不足之處就是功率因數(shù)只有0.55左右，如圖2.1右側上的曲線所示。

2.2 降壓式結構LED驅動器的工作原理

降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖2.2所示，紫色通道是通過主開關管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開關管Q1的漏極電壓波形，藍色通道是輸入電流波形，黃色通道是輸入電壓的波形。

圖2.2:降壓結構測試波形

可以看到流過主開關管的電流平均值基本是一條水平線，主要原因是整流后的濾波電容(C1,C2)容量很大，其充滿后的存貯電壓足夠已在整個周期內泄放，所以輸入電壓總是會高于輸出電壓，每個周期內流過開關管的電流通過電阻R5轉換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內部的電流參考腳的電平是一個固定值，通常0.5V左右，當達到參考值后，主開關管就停止工作，再等待下一個開通信號，就是檢測到開關管上的最低谷底電壓時，芯片再提供開通驅動信號給主開關管的柵極。所以，開關管每個周期的電流大小基本一致，這也就造成輸入線上電流(圖2.2中的淺藍色通道)的變化不是跟隨輸入電壓(圖2.2中的黃色通道)的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因數(shù)會非常低，電流諧波也很大。

3 填谷式LED驅動器

3.1 填谷式結構中功率因數(shù)校正的原理

為了滿足能源之星和IEC(國際電工委員會的簡稱)相關要求，早期大多設計者采用被動填谷方式來提高輸入功率因數(shù)，大致電路結構如下圖3.1所示：

圖3.1:填谷式結構線路圖和仿真結果

元件C1,D5,C2,D7,D6組成主要填谷電路，每個周期內交流電經由橋堆D1~D4整流后，給C1,C2串聯(lián)著充電，D6防止C2反經過C1放電，C1,C2的充滿的電荷經由D7,D5并連著放電。圖3右側是電路輸入電流的仿真結果，能觀察到每個周期的輸入線電流從30°到150°和210°和330°角度內連續(xù)變化，而150°到210°和330°到360°角度內不連續(xù)變化，大多電流的畸變都是在這些不連續(xù)的時間內發(fā)生，如果減少這些畸變，會進一步提高諧波性能。仿真圖看到每個正負周期內有一個高的電流尖峰，這也是造成電流畸變的因數(shù)之一，可以通過其它元件來抑制這個尖峰，但在大功率應用里，需要平衡好效率和發(fā)熱方面的問題。

3.2 實驗測試填谷式驅動器的功率因數(shù)

在常規(guī)的BUCK結構上增加了上面介紹的被動式填谷電路，這里的元件分別是C1,C2,D2,D3,D4和R2組成，電阻R2可以改幫助改善諧波電流，降低圖3.1仿真結果上的最大電流尖峰，實驗中主控制降壓芯片用恩智浦公司的SSL21084產品，SSL21084只是把主開關管集成到芯片內部，開關控制方式與SSL2109是完全一樣的，具體線路如圖3.2-1所示：

圖3.2-1:填谷式降壓結構線路和測試結果

圖3.2-1右側是20W的LED驅動器的測試結果，采用被動式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內變化時，功率因數(shù)PF已經從原來的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%,所以在提高功率因數(shù)的同時，效率沒有明顯的降低。圖3.2-2是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色通道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，很明顯雖然功率因數(shù)提高了，但輸入電流波形還是有畸變的，所以總諧波因數(shù)不是很好，測試數(shù)據(jù)顯示總電流諧波在38%,如圖3.2-2右側諧波測試數(shù)據(jù)所示，第3,5,7,9次奇次諧波值還是非常高。

圖3.2-2:填谷降壓式結構測試波形和諧波結果

4 主動式LED驅動器

主動式功率因數(shù)校正的方式和特點

主動式功率因數(shù)校正常規(guī)上采用兩極拓撲來實現(xiàn)，前級用升壓電路結構，后級直流轉換部分用隔離反激式結構，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、大功率驅動器中使用。SSL4101也集成了反激轉換控制功能，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。副邊輸出的電壓和電流電平通過光電耦合器 (簡稱光耦)來回授反饋給原邊控制器。相比填谷式結構，主動式功率因數(shù)校正設計可以達到更高的功率因數(shù)和低的諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動設計非常復雜，元件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅動器中使用。