帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅動電源

摘要：文中提出了一種帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅動電源，該電源具有電路簡單、可靠的優(yōu)點，實測數(shù)據(jù)表明，在較寬電壓范圍內，驅動電源工作穩(wěn)定，其具有較高功率因數(shù)。
關鍵詞：LED照明；Boost電路；功率因數(shù)校正；恒流源

    LED照明由于具有環(huán)保、壽命長、高可靠性等特點，正在發(fā)展成為實施綠色節(jié)能照明工程中最具有前途的第4代光源。由LED的電學特性可知，LED在正向導通后，流過LED的電流及其兩端電壓對LED能否正常工作起著關鍵性的作用。所以，設計合理的驅動電源對于LED照明燈就顯得十分重要。
    Energy Star標準規(guī)定：商業(yè)照明的供電設備的功率因數(shù)不得低于0．9。因此LED的供電電源除了能滿足上述LED特性要求，還應有功率因數(shù)校正(PFC)功能文。文中針對近年來迅速發(fā)展的LED照明驅動電路的應用，提出一種帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅動電源。

1 電路原理
    圖1為功率因數(shù)校正原理框圖(虛框內為控制電路)，主電路為Boost升壓電路，并由控制電路實現(xiàn)雙閉環(huán)控制：外環(huán)電壓控制環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定輸山電壓；內環(huán)電流環(huán)實現(xiàn)輸入電流i(t)跟蹤輸入電壓vg(t)波形，其中i(t)=iL(t)。

    對于Boost電路，只要輸入電壓低于輸出電壓，電感的電流就完全受開天的控制。以下結合圖2電感電流受控的特點進行說明。
    由于開關頻率遠高于輸入電壓頻率，可認為一個開關周期內輸入電壓平均值與瞬時值相等，平均值不變，即：
    <vg(t)>Ts≈vg(t)      (1)
    由于Boost升壓電路低通濾波器的轉折頻率遠小于開關頻率時，可認為一個開關周期內狀態(tài)變量的平均值與瞬時值近似相等，平均值近似不變，即：
    <x(t)>Ts≈x(t)        (2)
    在滿足上述條件下，開關元件Q1的電流iQ1(t)與開關元件D1的端電壓vD1(t)波形如圖2(c)所示。取電感電流iL(t)與電容電壓vO(t)為狀態(tài)變量，在一個開關周期Ts內，可用電感電流iL(t)的平均值<iL(t)>Ts與電容電壓vO(t)的平均值<vO(t)>Ts來表征Q1的平均電流與D1的平均端電壓，如公式(3)、(4)，式中d(t)為Q1導通截止的占空比時間函數(shù)。
   
   
    式(3)表明Q1的作用可由數(shù)值為d(t)iL(t)的受控電流源取代在電路中的作用；式(4)表明D1的作用可由數(shù)值為d(t)vO(t)的受控電壓源取代D1在電路中的作用。從而得到圖2(b)Boost升壓電路的一個開關周期Ts內的等效電路模型。進一步用戴維寧定理簡化為圖2(d)簡化模型，則電感兩端電壓為vL(t)為：
    vL(t)=(1-d(t))vO(t)-vg(t)       (5)
    式(5)中，輸入電壓vg(t)為整流后的直流脈動波形，可視為時間定義域定義在[0，π]的正弦電壓。結合Boost電路可知，選擇合理的d(t)可使電感電壓vL(t)也為正弦量，由相量法可得電感兩端電壓超前電感電流90°。所以，只要d(t)選擇的合適，使電感L兩端的電壓vL(t)為正弦波，且超前輸入電壓90°，便可以使電感電流成為與輸入電壓同相位的正弦波，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，圖2(e)為校正后電路對應的相量圖。

    合適的占空比d(t)可由圖(1)中控制電路實現(xiàn)。原理為：整流后的脈動正弦電壓波形作為輸入電流的參考波形，引入控制電路模擬乘法器。另外，為保證輸出電壓恒定，將輸出電壓與給定電壓之間的誤差經電壓控制電路引入乘法器，兩信號經過乘法器運算得到幅值跟隨電壓控制電路輸出變化的正弦絕對值信號，作為電流跟蹤環(huán)的給定信號，電流跟蹤控制電路使流經確保電感中的電流跟蹤該給定信號，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正，且穩(wěn)定了輸出電壓。

2 電路實現(xiàn)
    實際驅動電源電路如圖3所示，圖中采用電源控制器件L6561實現(xiàn)上述控制電路主要功能；變壓器初級電感量：L=1．84 mH；電路輸出功率Po=50 W；輸入線電壓Uin范圍：85～250 VAC；輸出電壓UO=400 VDC±5％。

    驅動電源電路的負載是多顆LED燈珠串聯(lián)的燈珠串，為防止因某幾顆LED燈珠發(fā)生故障導致負載斷路，這里采用文獻中所述連接方式，即在每個LED兩端反向并聯(lián)接一個穩(wěn)壓管，當燈珠發(fā)生斷路，穩(wěn)壓管自動接入確保負載正常工作。為實現(xiàn)負載LED燈源恒流供電，負載串聯(lián)的由Q1、Q2、R1、R2構成的恒流源電路，其工作原理如下：圖3中有ILED≈IR1+IR2，當R1足夠大使得時，IR1<<IR2，ILED≈IR2=(Ube／R2)，由于Ube穩(wěn)定在0．7 V，因此精選R2就能穩(wěn)定驅動電流ILED。

3 實測結果
    試驗電源采用圖3電路搭建，電源負載選用109顆0．5 W的LED燈珠組成的長串結構進行試驗。圖4給出了驅動電源輸出電壓Uo、流過LED燈珠串電流ILED、單顆LED燈珠電壓ULED及電源功率因數(shù)PF值隨Uin的變化情況。

    當交流輸入電壓存85～250 V之間變化時：
    圖4(a)表明Uo保持在400 V，最大波動僅為12 V，當輸入電壓高于175 V后，Uo基本保持恒定；
    圖4(b)表明ULED保持在3．6 V，最大波動僅為0．1 V，當輸入電壓高于175 V后，ULED基本保持穩(wěn)定。
    圖4(c)表明LED燈珠電流ILED保持在125 mA，最大波動僅為15 mA。
    圖4(d)表明，功率因數(shù)(PF)值大于，功率因數(shù)得到很大的提高。

4 結 論
    文中提出的帶功率因數(shù)校正的LED 日光燈驅動電源，在寬輸入電壓范圍內能保證流經負載電流恒定，實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，此外，本文方案具有控制簡單可靠、電路易于實現(xiàn)以及高性價比的優(yōu)點。