LED燈高功率因數驅動(dòng)器的設計方案

隨著(zhù)LED燈在眾多領(lǐng)域里的應用，譬如商業(yè)照明和家庭照明，LED照明已全面有取代傳統白熾燈和熒光燈之勢，因為相比傳統照明，LED照明盡管在價(jià)格上偏貴于傳統照明，但它具備節能，光效高，壽命長(cháng)，無(wú)污染等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，所以，LED照明能在短時(shí)內被市場(chǎng)認同。另外，隨著(zhù)能源資源無(wú)節制地消耗，帶有節能性能的照明產(chǎn)品已受到政府組織的推廣，一些國家的能源組織也有發(fā)布相關(guān)政策，補貼滿(mǎn)足其標準的照明產(chǎn)品。如商業(yè)照明產(chǎn)品功率因數大于0.9,家用大于0.7就是美國能源之星的強制要求之一。所以在關(guān)注LED燈高光效，長(cháng)壽命特點(diǎn)的同時(shí)，在保證低元器件成本的前提下，設計出具有高功率因數且性能高可靠LED驅動(dòng)方案變得尤為重要。

1 LED照明的發(fā)展概述

消費者從傳統照明轉換到LED照明是已經(jīng)被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節省80%的能源，其壽命可以長(cháng)至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節能燈，不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，如水銀，汞等重金屬物質(zhì)，也沒(méi)有像節能燈(CFL)在啟動(dòng)時(shí)暖燈時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡到對環(huán)境與能源的厲害關(guān)系，政策上也會(huì )加速推廣LED照明，因為L(cháng)ED照明在發(fā)光原理、節能、環(huán)保的層面上都遠遠優(yōu)于傳統照明產(chǎn)品，盡管短時(shí)間內LED照明的成本很高，譬如傳統60W白熾燈零售價(jià)格只有7W LED燈的1/10還不到，所以家庭用戶(hù)現階段對LED燈的價(jià)格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設中的商業(yè)照明市場(chǎng)中，如酒店和商場(chǎng)都使用了LED照明，已鮮見(jiàn)再有傳統照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅動(dòng)部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數。發(fā)達國家在照明領(lǐng)域里的能源問(wèn)題已非常重視，譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規定，住宅照明驅動(dòng)器的功率因數PF必須大于0.7,商業(yè)照明大于0.9的強制性要求。

2 降壓式LED驅動(dòng)器

2.1 介紹說(shuō)明降壓式LED驅動(dòng)器

三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK,升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地線(xiàn)上。每種結構都有其自身的特性，如靜態(tài)電壓轉換率，輸入輸出電流特性，輸出電壓紋波和最重要的頻率響應特性，最普遍和最簡(jiǎn)單的結構要數降壓式BUCK結構，通常設計時(shí)選擇降壓結構是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結構。這里再提一下降壓式結構的另外一個(gè)特點(diǎn)，因為主開(kāi)關(guān)管的電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內都是由零上升到額定值，所以它的輸入電流總是非連續的，而輸出電流時(shí)連續的，這是由于輸出電流是依靠電感和輸出端的電容會(huì )提供的。

在實(shí)際LED驅動(dòng)器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會(huì )采用降壓式結構，因為不僅結構簡(jiǎn)單，而且元件成本和轉換效率上有明顯的優(yōu)點(diǎn)，所以其應用非常廣。

圖2.1:降壓結構線(xiàn)路圖和測試值

圖2.1是一個(gè)常規的BUCK降壓式線(xiàn)路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器，原理圖上可以看出它的外圍元件非常少，電路非常簡(jiǎn)單，電感只需要一個(gè)繞組，不像其它控制器必須依靠另外的輔助繞組給芯片供電，這里它是采用了一顆高壓瓷片電容C5,連接到主開(kāi)關(guān)管柵極來(lái)進(jìn)行充電，所以芯片啟動(dòng)后，正常工作的電平都來(lái)自于這顆電容的作用。效率方面，它能達到90%以上，不足之處就是功率因數只有0.55左右，如圖2.1右側上的曲線(xiàn)所示。

2.2 降壓式結構LED驅動(dòng)器的工作原理

降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖2.2所示，紫色通道是通過(guò)主開(kāi)關(guān)管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開(kāi)關(guān)管Q1的漏極電壓波形，藍色通道是輸入電流波形，黃色通道是輸入電壓的波形。

圖2.2:降壓結構測試波形

可以看到流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的電流平均值基本是一條水平線(xiàn)，主要原因是整流后的濾波電容(C1,C2)容量很大，其充滿(mǎn)后的存貯電壓足夠已在整個(gè)周期內泄放，所以輸入電壓總是會(huì )高于輸出電壓，每個(gè)周期內流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流通過(guò)電阻R5轉換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內部的電流參考腳的電平是一個(gè)固定值，通常0.5V左右，當達到參考值后，主開(kāi)關(guān)管就停止工作，再等待下一個(gè)開(kāi)通信號，就是檢測到開(kāi)關(guān)管上的最低谷底電壓時(shí)，芯片再提供開(kāi)通驅動(dòng)信號給主開(kāi)關(guān)管的柵極。所以，開(kāi)關(guān)管每個(gè)周期的電流大小基本一致，這也就造成輸入線(xiàn)上電流(圖2.2中的淺藍色通道)的變化不是跟隨輸入電壓(圖2.2中的黃色通道)的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因數會(huì )非常低，電流諧波也很大。

3 填谷式LED驅動(dòng)器

3.1 填谷式結構中功率因數校正的原理

為了滿(mǎn)足能源之星和IEC(國際電工委員會(huì )的簡(jiǎn)稱(chēng))相關(guān)要求，早期大多設計者采用被動(dòng)填谷方式來(lái)提高輸入功率因數，大致電路結構如下圖3.1所示：

圖3.1:填谷式結構線(xiàn)路圖和仿真結果

元件C1,D5,C2,D7,D6組成主要填谷電路，每個(gè)周期內交流電經(jīng)由橋堆D1~D4整流后，給C1,C2串聯(lián)著(zhù)充電，D6防止C2反經(jīng)過(guò)C1放電，C1,C2的充滿(mǎn)的電荷經(jīng)由D7,D5并連著(zhù)放電。圖3右側是電路輸入電流的仿真結果，能觀(guān)察到每個(gè)周期的輸入線(xiàn)電流從30°到150°和210°和330°角度內連續變化，而150°到210°和330°到360°角度內不連續變化，大多電流的畸變都是在這些不連續的時(shí)間內發(fā)生，如果減少這些畸變，會(huì )進(jìn)一步提高諧波性能。仿真圖看到每個(gè)正負周期內有一個(gè)高的電流尖峰，這也是造成電流畸變的因數之一，可以通過(guò)其它元件來(lái)抑制這個(gè)尖峰，但在大功率應用里，需要平衡好效率和發(fā)熱方面的問(wèn)題。

3.2 實(shí)驗測試填谷式驅動(dòng)器的功率因數

在常規的BUCK結構上增加了上面介紹的被動(dòng)式填谷電路，這里的元件分別是C1,C2,D2,D3,D4和R2組成，電阻R2可以改幫助改善諧波電流，降低圖3.1仿真結果上的最大電流尖峰，實(shí)驗中主控制降壓芯片用恩智浦公司的SSL21084產(chǎn)品，SSL21084只是把主開(kāi)關(guān)管集成到芯片內部，開(kāi)關(guān)控制方式與SSL2109是完全一樣的，具體線(xiàn)路如圖3.2-1所示：

圖3.2-1:填谷式降壓結構線(xiàn)路和測試結果

圖3.2-1右側是20W的LED驅動(dòng)器的測試結果，采用被動(dòng)式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內變化時(shí)，功率因數PF已經(jīng)從原來(lái)的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%,所以在提高功率因數的同時(shí)，效率沒(méi)有明顯的降低。圖3.2-2是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色通道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，很明顯雖然功率因數提高了，但輸入電流波形還是有畸變的，所以總諧波因數不是很好，測試數據顯示總電流諧波在38%,如圖3.2-2右側諧波測試數據所示，第3,5,7,9次奇次諧波值還是非常高。

圖3.2-2:填谷降壓式結構測試波形和諧波結果

4 主動(dòng)式LED驅動(dòng)器

主動(dòng)式功率因數校正的方式和特點(diǎn)

主動(dòng)式功率因數校正常規上采用兩極拓撲來(lái)實(shí)現，前級用升壓電路結構，后級直流轉換部分用隔離反激式結構，如圖4.1示，功率因數校正芯片用恩智浦半導體的SSL4101控制器，它運行在臨界導通模式下，恒定導通時(shí)間控制，流過(guò)電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關(guān)系，所以輸入平均電流的相位會(huì )跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數。這種控制環(huán)路可靠度高，常在中、大功率驅動(dòng)器中使用。SSL4101也集成了反激轉換控制功能，如目前常采用準諧振斷續式控制，準諧振工作的特點(diǎn)就是確保主開(kāi)關(guān)上的寄生電容上的電壓降到最低時(shí)導通，降低開(kāi)關(guān)損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。副邊輸出的電壓和電流電平通過(guò)光電耦合器 (簡(jiǎn)稱(chēng)光耦)來(lái)回授反饋給原邊控制器。相比填谷式結構，主動(dòng)式功率因數校正設計可以達到更高的功率因數和低的諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動(dòng)設計非常復雜，元件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅動(dòng)器中使用。