基于MP4021的LED照明驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要：分析了單級(jí)反激高功率因數(shù)發(fā)光二極管(LED)照明驅(qū)動(dòng)電源控制芯片MP4021的工作原理，通過(guò)與傳統(tǒng)的L6562+恒流反饋芯片方案進(jìn)行對(duì)比可知，MP4021控制的LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù)和低成本優(yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)出一種基于MP4021的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電源電路。詳細(xì)介紹了芯片內(nèi)部的功率因數(shù)校正(PFC)電路原理和主要的參數(shù)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電源電路能實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)，且能高效穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 引言

近年來(lái)，隨著全球性的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題的日益突出，人類(lèi)對(duì)于環(huán)保以及怎樣充分利用能源的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)。LED以其高效節(jié)能、無(wú)汞毒害、壽命長(zhǎng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)照明領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。同時(shí)LED也因半導(dǎo)體工業(yè)的成本降低而受益，使得LED驅(qū)動(dòng)電路的研究成為熱點(diǎn)。MP4021是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)LED設(shè)計(jì)的電源驅(qū)動(dòng)芯片，它集成PFC，與傳統(tǒng)應(yīng)用于PFC電路的控制芯片L6562相比，既能滿(mǎn)足LED亮度調(diào)節(jié)的要求，又能實(shí)現(xiàn)PFC。

在此設(shè)計(jì)了一款基于MP4021芯片的LED驅(qū)動(dòng)電源電路，該電源電路為單級(jí)PFC電路，相對(duì)于兩級(jí)PFC電路，所用器件少，成本低，損耗低，

尺寸小，適用于中小功率LED照明，具有高性?xún)r(jià)比和高可靠性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明基于MP4021芯片的LED驅(qū)動(dòng)電源具有很高的實(shí)用性。

2 原理與設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源電路主要分為電磁干擾(EMI)濾波電路、PFC電路、DC/DC變換器3部分。電路中采用MP4021作為電源驅(qū)動(dòng)芯片，使用反激變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。該電路不僅可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，而且還能很好地將前級(jí)與后級(jí)隔離，是一款效率較高的實(shí)用型電路。

2.1 電源驅(qū)動(dòng)芯片介紹

目前市場(chǎng)上應(yīng)用于PFC電路最普遍的芯片是L6562，很多工程師設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源是結(jié)合L6562和Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC。而MP4021是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的芯片，集成PFC，只需簡(jiǎn)單的外圍電路設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制和高功率因數(shù)。L6562的引腳、應(yīng)用電路的工作原理以及實(shí)驗(yàn)波形詳見(jiàn)文獻(xiàn)。

2.1.1 MP4021芯片說(shuō)明

MP4021專(zhuān)門(mén)針對(duì)LED而設(shè)計(jì)，集成PFC，功率因數(shù)很高。工作在臨界導(dǎo)通模式，降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗;省去光耦和相關(guān)電路，降低了成本;采用獨(dú)特的開(kāi)關(guān)管控制技術(shù)，對(duì)開(kāi)關(guān)管和快恢復(fù)二極管的要求大大降低，與一些必須選擇昂貴開(kāi)關(guān)管和二極管的方案相比，能進(jìn)一步節(jié)省成本;效率在80%以上、全電壓輸入，電流精度在1.5%內(nèi)。MP4021采用SOIC8封裝，芯片引腳有：引腳1為內(nèi)部乘法器輸入引腳MULT;引腳2為零電流檢測(cè)引腳ZCD;引腳3為電源電壓引腳VCC;引腳4為柵極驅(qū)動(dòng)引腳GATE;引腳5為電流檢測(cè)引腳CS;引腳6為接地引腳GND;引腳7為反饋信號(hào)引腳FB，給該引腳懸空(NC)以實(shí)現(xiàn)初級(jí)控制;引腳8為環(huán)路補(bǔ)償引腳COMP。

2.1.2 MP4021與L6562的比較

L6562是實(shí)現(xiàn)PFC的控制器，要想達(dá)到要求還需設(shè)計(jì)復(fù)雜的外圍電路，而MP4021是一款內(nèi)置PFC的芯片。與L6562相比，MP4021可實(shí)現(xiàn)真正的電流控制，無(wú)需二次反饋電路;功率因數(shù)不小于0.9，超過(guò)了通用輸入電壓;還可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)。未來(lái)幾年內(nèi)，MP4021等單級(jí)高功率因數(shù)控制芯片必將會(huì)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)占據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電源的市場(chǎng)，成為主流芯片。

2.2 功率因數(shù)校正電路

2.2.1 功率因數(shù)校正原理

傳統(tǒng)電源電路是采用橋式整流和在整流橋后加一個(gè)大容量濾波電解電容組成的電容輸入型電路，其功率因數(shù)較低，一般在0.55～0.65。由于橋式整流和電容濾波電路處理后的電流含有豐富的諧波，導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重失真，如圖1所示，線(xiàn)路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。為提高功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波污染，提高電網(wǎng)輸送能力，必須采用PFC。

PFC實(shí)際上是對(duì)輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時(shí)改善電源系統(tǒng)的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，達(dá)到基波電流與電壓同頻同相。

2.2.2 芯片內(nèi)置功率因數(shù)校正原理

內(nèi)置的PFC電路，使初級(jí)電感繞組工作在臨界電流模式，圖2為臨界模式下的工作原理波形。

下面推導(dǎo)PFC的工作原理。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)線(xiàn)圈電感Lp上的壓降等于整流后的輸入電壓Uin，即：

式中：△i為電感電流的變化值;Ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間。

由式(1)可得：

芯片引腳1對(duì)輸入線(xiàn)電壓進(jìn)行采樣，作為芯片內(nèi)部乘法器的一個(gè)輸入端，該引腳連接到從整流后線(xiàn)電壓到地之間的電阻分壓器的抽頭，乘法器輸出的信號(hào)將是一個(gè)與輸入電壓同頻同相的正弦半波信號(hào)uref，該正弦信號(hào)為變壓器初級(jí)峰值電流IL提供了參考信號(hào)。開(kāi)關(guān)管的電流通過(guò)感測(cè)電阻器RCS，產(chǎn)生的電壓uCS與uref比較以確定開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻。由于誤差放大器的頻帶寬度取得較低，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)Ton保持恒定。當(dāng)外部開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，IL不能突變，反激變換器將初級(jí)的能量向次級(jí)傳遞，存儲(chǔ)在電感中的能量強(qiáng)迫次級(jí)二極管導(dǎo)通，然后電感電流開(kāi)始從峰值線(xiàn)性減少到零。因此，△i總是等于其峰值大小ipk(t)，如圖2所示。在臨界電流模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff分別為：

式中：Ls為線(xiàn)圈次級(jí)電感，Ls=Lp/N2，N為變壓器初、次級(jí)匝數(shù)比;Uo為輸出電壓。

由于電感電流與輸入電流iin(t)相同，可得電感電流瞬時(shí)平均值iav(t)與ipk(t)的關(guān)系為：

由式(4)可知iav(t)與ipk(t)成正比，由此實(shí)現(xiàn)IL的變化波形能很好地自動(dòng)跟蹤輸入電壓波形，達(dá)到PFC的目的。

2.3 基于MP4021的電源電路設(shè)計(jì)

2.3.1 電路設(shè)計(jì)原理

鑒于MP4021芯片的優(yōu)越性能，設(shè)計(jì)了一款基于MP4021的LED驅(qū)動(dòng)電源電路，如圖3所示。主電路在整流橋前端加一個(gè)電源濾波電路，以有效抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲，同時(shí)滿(mǎn)足電源產(chǎn)品電磁兼容性的要求。接通電源后，來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過(guò)濾波器然后進(jìn)行全橋整流，整流輸出的是正弦半波直流脈動(dòng)電壓，且電流波形中含有豐富的諧波。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源電路采用MP4021作為驅(qū)動(dòng)電源芯片，與傳統(tǒng)采用L6562+恒流芯片的方案相比具備系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)，外圍電路也更簡(jiǎn)單。

最初，芯片引腳3通過(guò)啟動(dòng)電阻R1充電，當(dāng)電壓達(dá)到12 V時(shí)，邏輯控制電路工作且柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)始切換，然后正常工作時(shí)芯片由輔助繞組繼續(xù)供電。芯片引腳4輸出PWM脈沖來(lái)控制MOSFET的通斷。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電感電流線(xiàn)性增加，流經(jīng)RCS，通過(guò)引腳5與正弦參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)uCS達(dá)到正弦幅值時(shí)，MOSFET關(guān)斷。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，初級(jí)電感的極性就會(huì)翻轉(zhuǎn)，初級(jí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)繞組和二極管整流，并經(jīng)濾波電容，然后為L(zhǎng)ED供電。

MP4021可控制來(lái)自初級(jí)的次級(jí)電流，通過(guò)采樣電阻將初級(jí)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后將其反饋到芯片的內(nèi)部，調(diào)整對(duì)MOSFET柵極的脈沖占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流控制。

2.3.2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，搭建了一款基于MP4021的8 WLED燈泡電源驅(qū)動(dòng)器，輸入電壓范圍：85～265 V，輸出LED電壓Uo=16 V，電流Io=0.5 A，功率Po=8 W。以下給出部分重要參數(shù)的計(jì)算和選擇方法。

①匝數(shù)比N、初級(jí)MOSFET和次級(jí)整流二極管的選擇：由典型初級(jí)MOSFET的漏源電壓和次級(jí)整流二極管的電壓波形可知，初級(jí)MOSFET漏源額定電壓為：

根據(jù)式(5)和式(6)，選擇N=6，這樣650 V或700 V的MOSFET和150 V或200 V的肖特基或快速恢復(fù)二極管都可使用。

②變壓器設(shè)計(jì)：在

時(shí)，電感電流工作頻率為最小值，這里設(shè)置最小頻率fs_min=45 kHz，則有：

由此可得：Lp=2.2 mH，Ton_85V=9.86μs。

先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積AE的乘積AP，然后根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料的編號(hào)。

式中：Ipk_max為最大峰值電流;Ims_max為L(zhǎng)P的最大有效電流;Bmax為允許的最大磁通密度;Ku為一個(gè)離線(xiàn)變壓器繞組系數(shù);Ki為電流密度系數(shù)。

參閱制造商的數(shù)據(jù)表來(lái)選擇合適的磁芯，這里選擇EFD20型鐵心，其參數(shù)為：AE=0.31 cm2，AW=0.507 cm2，AP=0.157 cm4;平均每匝導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為5.3 cm;磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率μγ=2 400。

為了避免磁芯飽和，定義變壓器初級(jí)繞組的最小匝數(shù)為：

由此得到Np=144，次級(jí)匝數(shù)Ns=Np/N=24。

3 結(jié)論

詳細(xì)介紹了目前比較廣泛采用的用于LED照明單級(jí)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)控制芯片MP4021，并與傳統(tǒng)的控制芯片L6562進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了應(yīng)用MP4021在8 W LED照明的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)實(shí)例。測(cè)試結(jié)果表明，整機(jī)效率達(dá)到0.83，功率因數(shù)值在180 V時(shí)為0.96，在220 V時(shí)為0.95，在240 V時(shí)為0.936。