如何提高LED驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)?

　　美國(guó)能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是，這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W的照明應(yīng)用的總諧波失真性能，其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)< 35%，而功率因數(shù)(PF)>0.94。雖然不是所有國(guó)家都絕對(duì)強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動(dòng)擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用，此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購(gòu)入/維護(hù)街燈時(shí)，也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

　　圖1：有源PFC應(yīng)用電路示意圖

　　PFC技術(shù)包括無(wú)源PFC及有源PFC兩種。無(wú)源PFC方案的體積較大，需要增加額外的元件來更好地改變電流波形，能夠達(dá)到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中，在小于5 W至40 W的較低功率應(yīng)用中，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無(wú)源元件及稍作電路改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。有源PFC(見圖1)通常是作為 一個(gè)專門的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC通常提供升壓，交流100至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達(dá)直流450至480 Vdc。如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專門的DC-DC轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。

　　無(wú)源PFC技術(shù)

　　無(wú)源PFC技術(shù)的原理是使用電感、電容、二極管等無(wú)源器件組成濾波網(wǎng)絡(luò)，來延長(zhǎng)整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間，使輸入電流趨于正弦化，從而減少輸入電流諧波含量，并且提高電路的功率因數(shù)。圖2給出了一個(gè)典型的LC無(wú)源PFC電路結(jié)構(gòu)圖。

　　在圖2中Lc和Cc可以實(shí)現(xiàn)濾除共模干擾的功能，Ld和Cd 可以實(shí)現(xiàn)濾除差模干擾的功能。LC無(wú)源濾波電路包括電感Lp和電容Cp，后接橋式整流電路。對(duì)Lp和Cp的取值進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，不僅能夠阻止電路產(chǎn)生的大量高次諧波污染電網(wǎng)，而且還可以減弱電網(wǎng)諧波對(duì)電子電路正常工作的影響。

　　由于這種LC無(wú)源PFC電路工作在交流線路頻率(50Hz或60Hz)，必須使用大而笨重的磁芯電感器，很不適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化和高功率密度的發(fā)展趨勢(shì)，如今已很少在電器產(chǎn)品中使用。

　　圖2：典型無(wú)源PFC電路

　　另一種常見的無(wú)源PFC電路是“填谷電路”，它包括3個(gè)二極管(VDI-VD3)和2個(gè)電解電容(C1，C2)，兩個(gè)電容的電容值應(yīng)該相等。填谷電路置于整流電路的輸出端，該電路通過填平谷點(diǎn)，使輸入電流由尖峰脈沖波填充為接近于正弦波的波形。圖3給出了填谷電路的電路圖，其中Ut表示整流后輸入電壓，Upk為輸入電壓峰值，Ua為A節(jié)點(diǎn)電壓。

　　圖3：填谷電路

　　有源PFC技術(shù)

　　經(jīng)過不斷的研究和探索，自上世紀(jì)末至今，有源PFC技術(shù)得到了空前的發(fā)展。其主要思想是：按照某種方法或者規(guī)律控制開關(guān)管的通斷，將輸入電流波形矯正為與輸入電壓波形頻率相同、相位相同且非常接近正弦波的波形，以提高功率因數(shù)和抑制諧波。另一方面，要對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

　　有源PFC技術(shù)對(duì)功率因數(shù)的提高作用顯著，可以實(shí)現(xiàn)接近于1的高功率因數(shù)。有源PFC技術(shù)一出現(xiàn)，便引起了廣大工程人員和學(xué)者的關(guān)注，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了許多成熟的有源PFC電路，按照不同的分類方法可以將有源PFC電路分為多種。

　　按拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)分類，可將有源PFC電路分為兩級(jí)PFC和單級(jí)PFC電路兩大類。

　　按電流模式分類，可將有源PFC電路分為連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)、斷續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和臨界導(dǎo)電斷續(xù)模式(BCM或TM)三類。

　　按開關(guān)開通機(jī)理分類，可將有源PFC電路分為硬開關(guān)PFC和軟開關(guān)PFC，軟快關(guān)PFC又可以細(xì)分為串聯(lián)諧振型、并聯(lián)諧振型、串并聯(lián)諧振型和準(zhǔn)諧振型等軟開關(guān)PFC技術(shù)。

　　大功率LED的光控電路

　　由圖1可知，220 V交流電經(jīng)電容限流、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓，在A，B兩端獲得穩(wěn)定的12V直流電(見圖1)。在白天由于光敏電阻RG受到自然光的照射呈現(xiàn)低電阻，三極管VT的基極電位低，而被反偏置，因此VT截止，單向可控硅VS門極為低電平被關(guān)斷，LED驅(qū)動(dòng)電路未啟動(dòng)，所以LED不亮。到天黑時(shí)光敏電阻RG因無(wú)光照呈現(xiàn)高電阻，VT導(dǎo)通，VS的門極即有正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，LED驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)，LED通電發(fā)光。

　　圖4：LED光控電路

　　大功率LED的驅(qū)動(dòng)電源

　　驅(qū)動(dòng)大功率LED的主要目標(biāo)是產(chǎn)生正向電流通過器件，比較理想的白光LED可采用MBI1802芯片來實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，它能抑制大功率LED正向電壓改變而造成的電流波動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)可控的正向電流，保證提供可控的顯示亮度。

　　由圖5可知，通過穩(wěn)壓二極管(D6)可為MB1802芯片提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)通過大功率LED的電流主要由參考電壓值和MBI1802芯片工作電壓來決定(見圖5)。絕大多數(shù)顯示器都需要多個(gè)LED，若設(shè)計(jì)人員靈活地驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED，應(yīng)將所有LED串聯(lián)，確保每顆LED的電流都相同。

　　圖5：恒流驅(qū)動(dòng)電路

　　同時(shí)，在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管，能為L(zhǎng)ED提供開路保護(hù)。若要以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)白光LED，每個(gè)白光LED都必須串聯(lián)一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，為避免通過其電流出現(xiàn)差異，這些電阻也會(huì)消耗功率，降低電路效率，所以采用串聯(lián)方式可驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED。

　　LED電源的溫度補(bǔ)償及調(diào)光電路

　　由于LED的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)為不隨溫度變化的恒流源，當(dāng)LED周圍溫度低于安全溫度點(diǎn)時(shí)，輸出最高容許電流并保持不變;當(dāng)LED周圍溫度高于安全溫度點(diǎn)時(shí)，工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)， 這將導(dǎo)致LED的性能遠(yuǎn)低于標(biāo)稱數(shù)值。如果LED周圍溫度過高則是由LED自身發(fā)熱導(dǎo)致，所以為了確保LED的性能、壽命不受影響，必須通過電路的溫度補(bǔ)償功能來解決這一問題。

　　圖6：溫度補(bǔ)償及調(diào)光電路圖

　　由圖6可知。采用AVR 單片機(jī)及MBI1802芯片的工作電壓為5V，通過MBI1802的一個(gè)外部電阻器Rext，可以調(diào)節(jié)輸出電流的范圍為40~360mA，在特定的光照下，只要不超過LED的額定電流，可隨意輸出電流，這樣用戶可以靈活的控制LED的光強(qiáng)度。同時(shí)，MBI1802芯片的第七腳連接AVR單片機(jī)，根據(jù)溫度傳感器18B20所測(cè)到溫度和檢測(cè)到的光敏電阻RG的阻值，AVR 單片機(jī)通過輸出PWM波到MBI1802來控制其輸出電流，實(shí)現(xiàn)LED的溫度補(bǔ)償，同時(shí)可以精確調(diào)節(jié)LED亮度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光功能。

　　恒流效果實(shí)驗(yàn)

　　如果LED的驅(qū)動(dòng)未采用恒流源驅(qū)動(dòng)方式，那么PN結(jié)半導(dǎo)體器件在正向?qū)ê?，結(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即-2 mV/℃，稱PN結(jié)的負(fù)溫度效應(yīng)，該特性直接影響它的發(fā)光效率、發(fā)光亮度、發(fā)光色度。例如當(dāng)常溫30℃時(shí)，選擇LED最佳工作電流為135mA，當(dāng)環(huán)境溫度升到90℃，結(jié)電壓VF下降，工作電流急劇增加到265~282mA;當(dāng)溫度下降至-40℃時(shí)，結(jié)電壓VF上升，最佳工作電流將從135mA 減小到27 mA，發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達(dá)不所需的照度，如圖7中電流曲線I。

　　通過實(shí)驗(yàn)，利用Excel軟件的圖表功能進(jìn)行取點(diǎn)繪制，得到恒流效果圖(見圖7)。

　　圖7：恒流效果圖

　　從圖7中可以看出，未采用恒流方式驅(qū)動(dòng)LED，其工作電流隨溫度的上升而上升，但采用恒流方式驅(qū)動(dòng)LED，其工作電流不隨溫度的上升而上升，從而證明恒流方式驅(qū)動(dòng)LED確實(shí)是可行的。

　　通過MBI1802芯片來驅(qū)動(dòng)大功率LED，為其提供恒定的電流，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。采用AVR單片機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和調(diào)光控制，可提高LED電源壽命，實(shí)現(xiàn)LED照度的調(diào)節(jié)。通過取點(diǎn)實(shí)驗(yàn)表明，該方案的設(shè)計(jì)原理合理、方案可行，補(bǔ)償效果明顯。