基于MP4021的LED照明驅動(dòng)電源設計

摘要：分析了單級反激高功率因數發(fā)光二極管(LED)照明驅動(dòng)電源控制芯片MP4021的工作原理，通過(guò)與傳統的L6562+恒流反饋芯片方案進(jìn)行對比可知，MP4021控制的LED驅動(dòng)電源具有高功率因數和低成本優(yōu)勢，并設計出一種基于MP4021的高功率因數LED驅動(dòng)電源電路。詳細介紹了芯片內部的功率因數校正(PFC)電路原理和主要的參數設計，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證該電源電路能實(shí)現較高的功率因數，且能高效穩定地運行。

1 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)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)對于環(huán)保以及怎樣充分利用能源的意識越來(lái)越強。LED以其高效節能、無(wú)汞毒害、壽命長(cháng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)照明領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新紀元。同時(shí)LED也因半導體工業(yè)的成本降低而受益，使得LED驅動(dòng)電路的研究成為熱點(diǎn)。MP4021是一款專(zhuān)門(mén)針對LED設計的電源驅動(dòng)芯片，它集成PFC，與傳統應用于PFC電路的控制芯片L6562相比，既能滿(mǎn)足LED亮度調節的要求，又能實(shí)現PFC。

在此設計了一款基于MP4021芯片的LED驅動(dòng)電源電路，該電源電路為單級PFC電路，相對于兩級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)驗證明基于MP4021芯片的LED驅動(dòng)電源具有很高的實(shí)用性。

2 原理與設計

所設計的驅動(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作為電源驅動(dòng)芯片，使用反激變換器來(lái)實(shí)現DC/DC轉換。該電路不僅可實(shí)現高功率因數，而且還能很好地將前級與后級隔離，是一款效率較高的實(shí)用型電路。

2.1 電源驅動(dòng)芯片介紹

目前市場(chǎng)上應用于PFC電路最普遍的芯片是L6562，很多工程師設計的驅動(dòng)電源是結合L6562和Boost拓撲結構來(lái)實(shí)現PFC。而MP4021是一款專(zhuān)門(mén)針對LED驅動(dòng)設計的芯片，集成PFC，只需簡(jiǎn)單的外圍電路設計即可實(shí)現對輸出電流的控制和高功率因數。L6562的引腳、應用電路的工作原理以及實(shí)驗波形詳見(jiàn)文獻。

2.1.1 MP4021芯片說(shuō)明

MP4021專(zhuān)門(mén)針對LED而設計，集成PFC，功率因數很高。工作在臨界導通模式，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;采用獨特的開(kāi)關(guān)管控制技術(shù)，對開(kāi)關(guān)管和快恢復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)一步節省成本;效率在80%以上、全電壓輸入，電流精度在1.5%內。MP4021采用SOIC8封裝，芯片引腳有：引腳1為內部乘法器輸入引腳MULT;引腳2為零電流檢測引腳ZCD;引腳3為電源電壓引腳VCC;引腳4為柵極驅動(dòng)引腳GATE;引腳5為電流檢測引腳CS;引腳6為接地引腳GND;引腳7為反饋信號引腳FB，給該引腳懸空(NC)以實(shí)現初級控制;引腳8為環(huán)路補償引腳COMP。

2.1.2 MP4021與L6562的比較

L6562是實(shí)現PFC的控制器，要想達到要求還需設計復雜的外圍電路，而MP4021是一款內置PFC的芯片。與L6562相比，MP4021可實(shí)現真正的電流控制，無(wú)需二次反饋電路;功率因數不小于0.9，超過(guò)了通用輸入電壓;還可實(shí)現短路保護及過(guò)溫保護。未來(lái)幾年內，MP4021等單級高功率因數控制芯片必將會(huì )憑借其獨特優(yōu)勢占據LED驅動(dòng)電源的市場(chǎng)，成為主流芯片。

2.2 功率因數校正電路

2.2.1 功率因數校正原理

傳統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，導致電流波形嚴重失真，如圖1所示，線(xiàn)路功率因數嚴重下降。為提高功率因數，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)際上是對輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時(shí)改善電源系統的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，達到基波電流與電壓同頻同相。

2.2.2 芯片內置功率因數校正原理

內置的PFC電路，使初級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PFC的工作原理。開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，變壓器初級線(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)管導通時(shí)間。

由式(1)可得：

芯片引腳1對輸入線(xiàn)電壓進(jìn)行采樣，作為芯片內部乘法器的一個(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，乘法器輸出的信號將是一個(gè)與輸入電壓同頻同相的正弦半波信號uref，該正弦信號為變壓器初級峰值電流IL提供了參考信號。開(kāi)關(guān)管的電流通過(guò)感測電阻器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，所以穩態(tài)時(shí)Ton保持恒定。當外部開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，IL不能突變，反激變換器將初級的能量向次級傳遞，存儲在電感中的能量強迫次級二極管導通，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，Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff分別為：

式中：Ls為線(xiàn)圈次級電感，Ls=Lp/N2，N為變壓器初、次級匝數比;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IL的變化波形能很好地自動(dòng)跟蹤輸入電壓波形，達到PFC的目的。

2.3 基于MP4021的電源電路設計

2.3.1 電路設計原理

鑒于MP4021芯片的優(yōu)越性能，設計了一款基于MP4021的LED驅動(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。所設計的驅動(dòng)電源電路采用MP4021作為驅動(dòng)電源芯片，與傳統采用L6562+恒流芯片的方案相比具備系統成本優(yōu)勢，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，當電壓達到12 V時(shí)，邏輯控制電路工作且柵極驅動(dòng)信號開(kāi)始切換，然后正常工作時(shí)芯片由輔助繞組繼續供電。芯片引腳4輸出PWM脈沖來(lái)控制MOSFET的通斷。當MOSFET導通時(shí)，初級電感電流線(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uCS達到正弦幅值時(shí)，MOSFET關(guān)斷。當MOSFET關(guān)斷時(shí)，初級電感的極性就會(huì )翻轉，初級儲存的能量通過(guò)次級繞組和二極管整流，并經(jīng)濾波電容，然后為L(cháng)ED供電。

MP4021可控制來(lái)自初級的次級電流，通過(guò)采樣電阻將初級的電流信號轉化為電壓信號，然后將其反饋到芯片的內部，調整對MOSFET柵極的脈沖占空比來(lái)實(shí)現恒流控制。

2.3.2 主要參數設計

實(shí)際實(shí)驗時(shí)，搭建了一款基于MP4021的8 WLED燈泡電源驅動(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的計算和選擇方法。

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

根據式(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二極管都可使用。

②變壓器設計：在

時(shí)，電感電流工作頻率為最小值，這里設置最小頻率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AP值，查表找出所需磁性材料的編號。

式中：Ipk_max為最大峰值電流;Ims_max為L(cháng)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;Ki為電流密度系數。

參閱制造商的數據表來(lái)選擇合適的磁芯，這里選擇EFD20型鐵心，其參數為：AE=0.31 cm2，AW=0.507 cm2，AP=0.157 cm4;平均每匝導線(xiàn)長(cháng)度為5.3 cm;磁芯的相對磁導率μγ=2 400。

為了避免磁芯飽和，定義變壓器初級繞組的最小匝數為：

由此得到Np=144，次級匝數Ns=Np/N=24。

3 結論

詳細介紹了目前比較廣泛采用的用于LED照明單級反激拓撲結構的高功率因數實(shí)現控制芯片MP4021，并與傳統的控制芯片L6562進(jìn)行了對比分析，給出了應用MP4021在8 W LED照明的驅動(dòng)電源設計實(shí)例。測試結果表明，整機效率達到0.83，功率因數值在180 V時(shí)為0.96，在220 V時(shí)為0.95，在240 V時(shí)為0.936。