LED燈高功率因數(shù)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案

圖4:兩級(jí)主動(dòng)式功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)圖

5 單級(jí)功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器

5.1 采用單級(jí)功率因數(shù)校正的原因

不管是用填谷方式或主動(dòng)式功率因數(shù)校正技術(shù)來提高功率因數(shù)，都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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(shè)計(jì)中存在一定的局限性。兩級(jí)主動(dòng)式結(jié)構(gòu)雖然能將功率因數(shù)和諧波性能實(shí)現(xiàn)得最好，但功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使電源的成本和體積增加，由此產(chǎn)生了單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)，其拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件和后級(jí)DC-DC變換器的開關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合二為一。因此單級(jí)功率因數(shù)變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1)開關(guān)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(gè)輸出回路，簡(jiǎn)化了控制回路;3)單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠帜芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級(jí)變換，所以效率要高于兩級(jí)變換器。由于以上特點(diǎn)，單級(jí)功率因數(shù)校正電路在中小功率LED驅(qū)動(dòng)器中優(yōu)勢(shì)非常明顯。

5.2 單級(jí)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(guān)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(gè)周期內(nèi)，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達(dá)到高功率因數(shù)的目的。

圖5.2所示線路是用來調(diào)整主開關(guān)電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級(jí)管Q1發(fā)射極端得到一個(gè)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(gè)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(guān)管的平均電流形成近似半正弦的形狀。

圖5.2:單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整電路仿真圖

圖5.2下面曲線部分是仿真的結(jié)果，綠色曲線是橋堆整流后的電壓形狀，紅色曲線和藍(lán)色曲線分別是三級(jí)管Q1集電極電壓和電流的結(jié)果，可以看到，三級(jí)管基極電平完全更隨橋式整流后的電壓，由于三級(jí)管Q1是PNP型三級(jí)管，集電極輸出的電平剛好與而基射的電平相反，故在基極電平從最高幅值到零降低時(shí)，集電極輸出電壓和電流反而由最低漸漸增大至最高幅值，這樣，當(dāng)這個(gè)電平輸入到芯片電流回授腳后，就可以調(diào)整主開關(guān)管的電流大小了。

5.3降壓式結(jié)構(gòu)中驗(yàn)證單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整電路

圖5.3-1是在傳統(tǒng)BUCK降壓式線路上增加了功率因數(shù)調(diào)整元件，所以芯片電流腳檢測(cè)到的信號(hào)是主開關(guān)管M1和流經(jīng)三級(jí)管Q1電流的疊加之和。當(dāng)整流后的電壓變化時(shí)，流過三極管Q1的電流也跟隨變化。

圖5.3-1:單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整式實(shí)驗(yàn)圖和相關(guān)測(cè)試波形

圖5.3-1右側(cè)是實(shí)驗(yàn)板上測(cè)試得到的工作波形，從上到下各通道依次是：紫色是主開關(guān)管柵極的電壓波形，深藍(lán)色通道是芯片電流檢測(cè)腳的波形，綠色通道是主開關(guān)管M1源極上的電流波形，淺藍(lán)色通道是輸入電流的波形?？梢钥吹叫酒娏鳈z測(cè)腳原來是一個(gè)恒定的0.5參考電平，現(xiàn)在用外加的功率因數(shù)矯正電路后，主開關(guān)的平均電流波形被調(diào)整為半正弦形狀，原因就是三級(jí)管Q1集電極的輸出電平進(jìn)入芯片電流檢測(cè)腳后，主開關(guān)管上的電流會(huì)先從過零點(diǎn)漸漸增大至最高幅值，再逐漸被降低到零。這樣輸入電流和輸入電壓的相位基本相似，也接近于交流正弦。

圖5.3-2是實(shí)驗(yàn)得到總電流諧波測(cè)試的結(jié)果只有13%,可以看出相比原降壓和填谷式降壓都有非常大的提高，完全滿足能源之星對(duì)LED照明的功率因數(shù)要求。本實(shí)驗(yàn)中選擇的電感為EFD15,感量為700mH,最低工作頻率在70KHz,功率因數(shù)0.95,工作效率達(dá)到93%以上。

圖5.3-2:單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5.3-1對(duì)比原降壓結(jié)構(gòu)線路圖2.1,在LED燈開路保護(hù)上也有改進(jìn)，原圖用穩(wěn)壓管和功率額度較大的可控硅晶閘管來保護(hù)輸出電壓不至于過高引起輸出電解電容的損壞，其缺點(diǎn)就是，當(dāng)發(fā)生開路時(shí)，主芯片一直是在工作，沒有停止，保護(hù)用的晶閘管的溫度也會(huì)比較高，有一定安全隱患。圖10中只在電感上增加了一個(gè)繞組來感應(yīng)輸出電壓的變化，二級(jí)管D2整流新增繞組的負(fù)向電壓，當(dāng)LED燈開路時(shí)，電解電容C1兩端的電壓上升，新增加的繞組絕對(duì)電壓也會(huì)隨之升高，D2整流的負(fù)向電壓也會(huì)升高直到穩(wěn)壓管D4導(dǎo)通，從而將芯片NTC腳電平拉低到0V,主開關(guān)停止工作，芯片進(jìn)入保護(hù)模式。所以這種開路保護(hù)相比原保護(hù)要更簡(jiǎn)單和可靠。

5.4 反激式結(jié)構(gòu)中驗(yàn)證單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整電路

當(dāng)然，單級(jí)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?yàn)?，在一部分LED照明中，隔離反激式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求也是非常多的。圖5.4是試驗(yàn)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(cè)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5.4:功率因數(shù)調(diào)整線路在反激結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)果

6 總結(jié)

6.1 概括對(duì)比三種功率因數(shù)校正方式的特點(diǎn)

前面分別對(duì)三種功率因素校正結(jié)構(gòu)做了介紹和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以看出各結(jié)構(gòu)都有其自身的特點(diǎn)，表6.1對(duì)三種功率因數(shù)校正方式做了比較說明，功率因數(shù)和諧波性能最好的是主動(dòng)式功率因數(shù)矯正反激式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，但其缺點(diǎn)是線路復(fù)雜度和元件成本比其它兩種都要高;填谷式功率校正結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是功率因數(shù)不夠高，諧波性能還是不好，元件成本雖然比主動(dòng)式結(jié)構(gòu)低，但還是比單極式結(jié)構(gòu)要高;單級(jí)功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)在諧波和功率因數(shù)性能上能完全滿足IEC63000-3-2的要求，其功率因數(shù)調(diào)整方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且外圍元件成本也最低;另一方面，在單級(jí)調(diào)整式結(jié)構(gòu)中，因?yàn)闃蚴秸骱蟮臑V波電容容量很小，一般100~200nF左右，所以，輸出電流的低頻紋波會(huì)比前面兩種結(jié)構(gòu)都要大一些，不過可以通過加大輸出端電容容量來解決這個(gè)問題。

表6.1:三種功率因數(shù)校正方式性能對(duì)比結(jié)果

6.2 結(jié)論：

本文就LED照明驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案做了相關(guān)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(shí)際實(shí)驗(yàn)論證，證明出在傳統(tǒng)降壓式結(jié)構(gòu)上改進(jìn)出的單級(jí)功率因數(shù)調(diào)整式結(jié)構(gòu)是可以完全達(dá)到高功率因數(shù)和低諧波的性能，也能容易地應(yīng)用于LED照明驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際設(shè)計(jì)。