一種單級(jí)PFC反激LED電源設(shè)計(jì)與仿真

LED是一個(gè)非線性器件，正向電壓的微小變化會(huì)引起電流的巨大變化;LED是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，其伏安特性隨溫度變化而變化(-2mV/℃),假如溫度升高，在恒壓驅(qū)動(dòng)下LED的電流會(huì)增加。長期超過額定電流工作，會(huì)大大縮短LED的使用壽命。而LED恒流主要目的是當(dāng)輸入或輸出電壓變化時(shí)，確保其工作電流不變。為了保證LED產(chǎn)品的優(yōu)勢，針對不同功率段的LED電源，必須選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使LED驅(qū)動(dòng)電源達(dá)到高效率，高可靠性，滿足安規(guī)，EMI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及低成本要求。對于15W-90W中小功率LED驅(qū)動(dòng)電源通常選用結(jié)構(gòu)簡單的反激式拓?fù)洹８鶕?jù)EN61000-3-2的C類標(biāo)準(zhǔn)，所有照明產(chǎn)品必須達(dá)到其要求，使得單級(jí)PFC反激架構(gòu)在LED照明市場得到了迅速發(fā)展，由于其功率轉(zhuǎn)換效率高系統(tǒng)成本低，體積小在LED照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理分析與設(shè)計(jì)

1.1 TDA4863-2芯片簡介

TDA4863-2是英飛凌半導(dǎo)體公司(Infineon)推出的一款功率因數(shù)校正(PFC)控制器[1]。它工作于準(zhǔn)諧振模式，功率因素可以達(dá)到接近1,啟動(dòng)電流小，內(nèi)部集成圖騰柱可以驅(qū)動(dòng)大電流MOSFET。TDA4863-2嵌入了電流總諧波失真(THD)優(yōu)化電路，在全電壓輸入條件下也可以有效控制AC輸入電流的交越失真和誤差放大器的輸出紋波失真，從而提高功率因數(shù)，降低輸入電流總諧波失真。該芯片主要應(yīng)用于前級(jí)PFC校正電路，本文中將其應(yīng)用于單級(jí)PFC反激架構(gòu)。

1.2 基于TDA4863-2單級(jí)反激LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)與原理分析

TDA4863-2的單級(jí)PFC反激電源原理圖如圖1所示，交流電壓經(jīng)過EMI和整流單元后流入電容C1，電容C1的容量可以選擇很小的金屬化薄膜電容，使得C1兩端的電壓100Hz/120Hz波形(取決于輸入電壓頻率)，該電壓可近似表示為：

其中θ=ωt， VPK為輸入電壓與2的平方根乘積。

圖1：臨界模式單級(jí)PFC反激式電路結(jié)構(gòu)圖

該電壓經(jīng)過R5,R6電阻分壓后流入IC的MULT腳，該電壓與COMP腳的信號(hào)的乘積為內(nèi)部乘法器的輸出信號(hào)Vref。乘法器輸出的信號(hào)也是經(jīng)增益系數(shù)變換后的全波整流正弦半波(誤差信號(hào))，而且被用作輸入電流的參考。

在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻，初級(jí)繞組NP中的電感電流IPKP線性上升，CS引腳檢測R19電阻電壓，當(dāng)R19兩端電壓Vs上升到Vs=Vref時(shí)，此時(shí)R19兩端電壓Vs=IPKP*R19，GD輸出低電平信號(hào)，使開關(guān)管Q4關(guān)斷，則

在圖2中的波形，Vref是乘法器輸出信號(hào)，該信號(hào)被送到內(nèi)部比較器同相輸入端，負(fù)相輸入端則連接到CS端，當(dāng)GD輸出高電壓時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，電感電流斜升，直到信號(hào)達(dá)到Vref的電平。在此點(diǎn)上，內(nèi)部邏輯電路會(huì)改變狀態(tài)并使GD輸出低電平，斷開MOSFET，電流斜降直到降為零。ZCD零電流檢測電路則測量輔助繞組(Nb)兩端的電壓,當(dāng)它的電壓降到ZCD閾值1.5V時(shí)，在此刻，GD輸出高電平信號(hào)，電流再次斜升.

由圖2可以看出，初級(jí)電感電流是三角波變化，峰值電流包絡(luò)為正弦波，整流橋后的電流是整個(gè)開關(guān)周期的每個(gè)三角波的平均值，則其大小表示為[2]：

設(shè)K=Vpk/VR，D為占空比，VR為反射電壓=匝比(N)*(Vout+VF)

由式(3)得知，當(dāng)K為0時(shí)，Iin(wt)為正弦波，但隨著K的增大，Iin(wt)偏離正弦波越嚴(yán)重。反激拓?fù)浼词乖诶硐肭闆r也不可能使功率因素為1，由于K為0，那么反射電壓VR則需要為無窮大。也可以從式(3)得知，若要得到更高的功率因素，則需要更高的反射電壓VR，即增加變壓器匝數(shù)比N=NP/NS，但由于MOSFET的應(yīng)力問題VR的設(shè)計(jì)需要適中,使MOSFET的額定電壓必須高于VDS電壓。本設(shè)計(jì)中匝比n=3.8,反射電壓約為190V，故選擇800V的MOSFET。

圖2：臨界模式變壓器中的初級(jí)電流變化

2. 恒流反饋分析

本設(shè)計(jì)中的恒流反饋區(qū)別于常見的恒流反饋，如圖4所示。此反饋設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)使用CV/CC IC設(shè)計(jì)的恒流反饋電路有以下優(yōu)點(diǎn)，其一減少元件器個(gè)數(shù)降低BOM的成本，其二反饋響應(yīng)時(shí)間快無過沖，其三此設(shè)計(jì)具有短路保護(hù)功能，在輸入300VAC時(shí)，若輸出短路，測得輸入功率小于1.8W，波形如圖3所示。次級(jí)繞組電流升高，電流互感器檢測此電流高于預(yù)設(shè)定值時(shí)，CT1的Vo端輸出高電平送到IC的INV腳，MOSFET關(guān)斷(見圖3)。其工作原理是使用一個(gè)電流互感器檢測二次測繞組的三角波電流，經(jīng)過整流濾波后送到TDA4863-2的INV引腳進(jìn)行精確的電流控制。

圖3：300Vac輸入時(shí)輸出短路保護(hù)波形

圖4：輸出整流濾波和恒流反饋電路

3. 電流互感器設(shè)計(jì)

根據(jù)電流互感器特點(diǎn)，一般選擇高?材料的磁芯，使激磁電流盡量小。原邊通常選擇1匝方便作業(yè)，Ns增加，電流互感器誤差減小，取樣電阻的損耗也減小，但隨著Ns地增加，成本也會(huì)增加。