基于L6562的單級PFC反激LED電源的研究

LED照明是一種新型照明方式，與傳統的白熾燈、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(cháng)、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)勢，成為目前世界上最有可能替代傳統光源的新一代光源。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，現有LED光源普遍采用多顆LED，通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)組成LED模組來(lái)進(jìn)行照明，為了達到最佳的工作性能，必須要設計合適的LED驅動(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，針對不同的LED照明產(chǎn)品和應用要求，必須選擇合適的驅動(dòng)電路拓撲結構，使LED驅動(dòng)電源達到高效率、高可靠性、高功率因數、低成本的要求。 對于30 W～75 W的中小功率LED模組照明，通常選用結構簡(jiǎn)單、成本低、調試簡(jiǎn)單的反激拓撲結構。為了達到環(huán)保節能的要求，LED驅動(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校正環(huán)節，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PFC反激電路，將功率因數校正與反激電路合二為一，不僅可以得到較高的功率因數，同時(shí)具有結構簡(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 工作原理分析與設計

1.1 L6562芯片簡(jiǎn)介

L6562是意法半導體公司（ST）推出的一款功率因數校正（PFC）控制器[1]。它工作于臨界模式（即電感電流處于連續或斷續的邊界上），與傳統PWM變換器工作的連續電流模式或不連續電流模式不同的是，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(guò)快速調節工作頻率使輸出穩定。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，降低輸入電流總諧波失真。該芯片主要應用于前級PFC校正電路，本文中將其用于單級PFC反激電路。

1.2 基于L6562單級PFC反激電路設計與工作原理分析

L6562單級PFC反激電路結構圖如圖1所示。交流電壓經(jīng)過(guò)前級保護單元和EMI濾波單元后，由整流橋整

其中，Irms為開(kāi)關(guān)MOS管導通時(shí)流過(guò)電流的有效值?？赏ㄟ^(guò)使用導通電阻Rds(on)更小的MOS管來(lái)減少損耗。開(kāi)關(guān)損耗是指，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管電壓Vds和電流Ids發(fā)生變化，從“開(kāi)”到“關(guān)”或從“關(guān)”到“開(kāi)”有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，這期間電壓Vds和電流Ids存在一個(gè)交疊過(guò)程，產(chǎn)生較大的損耗即為開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)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(kāi)關(guān)MOS管導通之前，由于次級電流已降為0，初級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(kāi)始時(shí)刻已經(jīng)開(kāi)始下降，在開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，電壓值已經(jīng)很小，近似于零電壓，因而大大減少了導通損耗，從而提高了效率。
2.2.3 次級整流二級管損耗
次級整流二極管上的損耗可表示為PD=VD Iave，其中VD為次級整流二極管導通時(shí)的前向壓降，Iave為流過(guò)次級整流二極管的平均電流。當輸出電流較大時(shí)，會(huì )產(chǎn)生比較大的損耗?？刹捎们跋螂妷焊〉男ぬ鼗O管或者同步整流的方式來(lái)減少損耗。由于同步整流成本較高，且電路復雜，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整流二極管。
3 實(shí)驗結果分析
根據以上分析，制得實(shí)驗樣機一臺，樣機基本設計條件如下：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，測試負載為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)驗中測得的開(kāi)關(guān)MOS管漏極和源極兩端電壓波形，放大倍數為500。圖4(b)為開(kāi)關(guān)管下端檢測電阻Rs兩端電壓波形，間接反映出流過(guò)開(kāi)關(guān)MOS管的電流波形。從圖中可以看出，開(kāi)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電壓范圍內變化時(shí)，電源效率基本穩定在90%左右，在寬范圍輸入電壓的條件下顯示出良好的性能。出于對成本及電路復雜度方面的考慮，本電源后級整流沒(méi)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(kāi)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PFC反激電路的LED驅動(dòng)電源原理，并對其功率因數與效率進(jìn)行了理論分析。該驅動(dòng)電源將傳統兩級電源中的前級PFC校正電路與后級DC-DC電路合二為一，電路結構簡(jiǎn)單，通過(guò)同時(shí)采樣輸入電壓和輸出電壓的信號，使開(kāi)關(guān)導通時(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通模式，在開(kāi)關(guān)MOS管在導通之前，開(kāi)關(guān)MOS管兩端電壓已開(kāi)始下降，減少了開(kāi)關(guān)MOS管的開(kāi)關(guān)損耗，從而有效提高電源效率。通過(guò)制作樣機并對實(shí)驗結果分析，驗證了此種LED驅動(dòng)電源在較寬的電壓范圍內，具有較高的功率因數和效率。

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