高效單級變換式LED驅(qū)動電源設(shè)計方案

摘要：無論民用或商用領(lǐng)域，功率100 W 以下的交流電源都有著巨大的應(yīng)用需求。由于要兼顧輸入諧波電流、功率因數(shù)、系統(tǒng)能效等問題，采用臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源拓?fù)涑蔀榉浅Ｍ昝赖男」β手绷?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電源">電源解決方案。它具有高的轉(zhuǎn)換效率，在高端小電源供應(yīng)器中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在LED照明驅(qū)動方面極具優(yōu)勢。文章主要闡釋小功率(≤100 W)單級AC/DC轉(zhuǎn)換器的原理，分析其正弦調(diào)制原理及獲得高功率因數(shù)、高能效的原因，并探討了轉(zhuǎn)換器的功能和優(yōu)點(diǎn)，最后設(shè)計了一個采用仙童FAN6961芯片控制的48 V輸出75 W 的LED驅(qū)動電源，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和批量生產(chǎn)證明本方案設(shè)計合理、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好，能夠有效提高能效、功率因數(shù)，避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風(fēng)能、太陽能、生物能源等成為熱點(diǎn)。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)風(fēng)險等不確定因素，所以各國政府都在積極發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產(chǎn)品的應(yīng)用研究，倡導(dǎo)產(chǎn)品降低能耗、提高效率、促進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等工作?；贚ED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅(qū)動電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為LED光電照明產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

中國的國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T24825-2009LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求中規(guī)定：達(dá)到能效1級的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應(yīng)不小于88%(P>25 W );電源產(chǎn)品電磁干擾(EMI)性能應(yīng)符合國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值和GB17743-2007電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法的相關(guān)要求。美國能源之星照明燈具規(guī)范(ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires)中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9.

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的性能直接關(guān)系到LED光源的性能。在全球提倡節(jié)能減排和綠色電子的大背景下，如何設(shè)計一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動電源是當(dāng)今廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正(PFC)電路，臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源供應(yīng)器拓?fù)洌ㄟ^正確設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可在兼顧電源品質(zhì)與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

1 單級AC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

AC/DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1.工作原理：開關(guān)管MOS驅(qū)動著反激式儲能隔離變壓器T,MOS導(dǎo)通時變壓器T儲能，關(guān)斷時變壓器T次級繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導(dǎo)通、關(guān)斷時間規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC/DC反激式變換器原理圖

電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電路拓?fù)鋱D

圖2中：Lm為變壓器初級勵磁電感，Lr為漏電感，初級電感LP=Lm+Lr,次級電感為LS。

1.1 SPWM 調(diào)制原理

如圖2所示，市電經(jīng)全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調(diào)制原理分析如圖3:IQ為MOS管在某一時刻的導(dǎo)通電流，IQ(sin)_PK是MOS的峰值電流，ID為次級二極管在MOS管關(guān)閉時刻的續(xù)流，ID(sin)_PK是二極管的峰值電流。

圖3 SPWM 調(diào)制圖

在調(diào)制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導(dǎo)通下一個驅(qū)動脈沖工作方式，以保障每個開關(guān)周期里T =TON+TOFF 。

如調(diào)制圖3,設(shè)市電輸入正弦波電壓：

Uin(t)=Uin_pksinωt

把市電輸入電壓離散化，則設(shè)第N 個點(diǎn)時，圖中△ABE所示，MOS導(dǎo)通，電壓與電感勵磁電流的關(guān)系如下：

若N 足夠大時，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設(shè)導(dǎo)通時間為常數(shù)：TON_N = 常數(shù)(const)，則上述MOS導(dǎo)通電流各點(diǎn)峰值IQ(sin)_pk組成的包絡(luò)就形成了正弦規(guī)律。