基于L6562的單級(jí)PFC反激LED電源的研究

LED照明是一種新型照明方式，與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈等照明方式相比，LED光源具有發(fā)光效率高、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)勢(shì)，成為目前世界上最有可能替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。LED芯片是一種低壓電流型器件，電流是影響其發(fā)光性能的主要因素，現(xiàn)有LED光源普遍采用多顆LED，通過串聯(lián)或并聯(lián)組成LED模組來進(jìn)行照明，為了達(dá)到最佳的工作性能，必須要設(shè)計(jì)合適的LED驅(qū)動(dòng)電源，使其在恒定電流的條件下工作。為了保證LED的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的LED照明產(chǎn)品和應(yīng)用要求，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使LED驅(qū)動(dòng)電源達(dá)到高效率、高可靠性、高功率因數(shù)、低成本的要求。 對(duì)于30 W～75 W的中小功率LED模組照明，通常選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試簡(jiǎn)單的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，LED驅(qū)動(dòng)電源通常要求PF值大于0.9，因此普通反激電源前端通常還要加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，不僅增加了成本，而且體積也難以小型化，效率也不高。而單級(jí)PFC反激電路，將功率因數(shù)校正與反激電路合二為一，不僅可以得到較高的功率因數(shù)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于中小功率LED模組照明。

1 工作原理分析與設(shè)計(jì)

1.1 L6562芯片簡(jiǎn)介

L6562是意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的一款功率因數(shù)校正（PFC）控制器[1]。它工作于臨界模式（即電感電流處于連續(xù)或斷續(xù)的邊界上），與傳統(tǒng)PWM變換器工作的連續(xù)電流模式或不連續(xù)電流模式不同的是，臨界模式工作在變頻模式下，在輸入電壓和電流變化的情況下通過快速調(diào)節(jié)工作頻率使輸出穩(wěn)定。L6562在其乘法器中嵌入了電流總諧波失真（THD）優(yōu)化電路，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，本文中將其用于單級(jí)PFC反激電路。

1.2 基于L6562單級(jí)PFC反激電路設(shè)計(jì)與工作原理分析

L6562單級(jí)PFC反激電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。交流電壓經(jīng)過前級(jí)保護(hù)單元和EMI濾波單元后，由整流橋整

其中，Irms為開關(guān)MOS管導(dǎo)通時(shí)流過電流的有效值。可通過使用導(dǎo)通電阻Rds(on)更小的MOS管來減少損耗。開關(guān)損耗是指，在開關(guān)過程中，開關(guān)管電壓Vds和電流Ids發(fā)生變化，從“開”到“關(guān)”或從“關(guān)”到“開”有一個(gè)過渡過程，這期間電壓Vds和電流Ids存在一個(gè)交疊過程，產(chǎn)生較大的損耗即為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗占MOS管損耗的很大一部分。
在本電路中，如圖2所示，在開關(guān)MOS管導(dǎo)通之前，由于次級(jí)電流已降為0，初級(jí)繞組上的電壓由于漏感及MOS管上的寄生電容存在而產(chǎn)生振蕩，電壓開始時(shí)刻已經(jīng)開始下降，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電壓值已經(jīng)很小，近似于零電壓，因而大大減少了導(dǎo)通損耗，從而提高了效率。
2.2.3 次級(jí)整流二級(jí)管損耗
次級(jí)整流二極管上的損耗可表示為PD=VD Iave，其中VD為次級(jí)整流二極管導(dǎo)通時(shí)的前向壓降，Iave為流過次級(jí)整流二極管的平均電流。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗。可采用前向電壓更小的肖特基二極管或者同步整流的方式來減少損耗。由于同步整流成本較高，且電路復(fù)雜，在輸出電流較小時(shí)效率提升不大，因此本電路采用肖特基二極管作為次級(jí)整流二極管。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)以上分析，制得實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)，樣機(jī)基本設(shè)計(jì)條件如下：輸入電壓范圍160 V~250 V，輸出電流2.1 A，輸出電壓范圍25 V~40 V，最小工作頻率100 kHz，測(cè)試負(fù)載為60顆大功率LED組成的6并10串LED陣列（單顆LED工作時(shí)前向電壓約為3.2 V）。
圖4(a)所示為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的開關(guān)MOS管漏極和源極兩端電壓波形，放大倍數(shù)為500。圖4(b)為開關(guān)管下端檢測(cè)電阻Rs兩端電壓波形，間接反映出流過開關(guān)MOS管的電流波形。從圖中可以看出，開關(guān)MOS管上的電壓與電流峰值包絡(luò)均近似為正弦半波變化，可推測(cè)出本電路具有較高的PF值。

圖5為220 V輸入電壓下輸入電壓和輸入電流波形。從中可以看出，輸入電壓和輸入電流波形均近似為正弦波形，且相位基本一致，故PF值較高，實(shí)際測(cè)得PF值為0.97。

圖7即為在不同輸入條件下，電源效率的變化情況。從圖中可以看出，輸入電壓在160 V~250 V電壓范圍內(nèi)變化時(shí)，電源效率基本穩(wěn)定在90%左右，在寬范圍輸入電壓的條件下顯示出良好的性能。出于對(duì)成本及電路復(fù)雜度方面的考慮，本電源后級(jí)整流沒有采用同步整流的方式。若在輸出大電流的條件下，采用效率更高的同步整流方式，更換性能更佳的開關(guān)MOS管，則電源效率還將進(jìn)一步提升。

本文介紹了基于L6562的單級(jí)PFC反激電路的LED驅(qū)動(dòng)電源原理，并對(duì)其功率因數(shù)與效率進(jìn)行了理論分析。該驅(qū)動(dòng)電源將傳統(tǒng)兩級(jí)電源中的前級(jí)PFC校正電路與后級(jí)DC-DC電路合二為一，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過同時(shí)采樣輸入電壓和輸出電壓的信號(hào)，使開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓波形變化而改變，從而使電源輸入的電流跟隨輸入電壓波形變化，以獲得高的PF值。此電路工作于臨界導(dǎo)通模式，在開關(guān)MOS管在導(dǎo)通之前，開關(guān)MOS管兩端電壓已開始下降，減少了開關(guān)MOS管的開關(guān)損耗，從而有效提高電源效率。通過制作樣機(jī)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了此種LED驅(qū)動(dòng)電源在較寬的電壓范圍內(nèi)，具有較高的功率因數(shù)和效率。

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