基于MP4021的LED照明驅(qū)動電源設(shè)計

摘要：分析了單級反激高功率因數(shù)發(fā)光二極管(LED)照明驅(qū)動電源控制芯片MP4021的工作原理，通過與傳統(tǒng)的L6562+恒流反饋芯片方案進行對比可知，MP4021控制的LED驅(qū)動電源具有高功率因數(shù)和低成本優(yōu)勢，并設(shè)計出一種基于MP4021的高功率因數(shù)LED驅(qū)動電源電路。詳細介紹了芯片內(nèi)部的功率因數(shù)校正(PFC)電路原理和主要的參數(shù)設(shè)計，并經(jīng)過實驗驗證該電源電路能實現(xiàn)較高的功率因數(shù)，且能高效穩(wěn)定地運行。

1 引言

近年來，隨著全球性的環(huán)境污染和能源短缺問題的日益突出，人類對于環(huán)保以及怎樣充分利用能源的意識越來越強。LED以其高效節(jié)能、無汞毒害、壽命長、尺寸小等優(yōu)點推動照明領(lǐng)域進入了一個新紀元。同時LED也因半導(dǎo)體工業(yè)的成本降低而受益，使得LED驅(qū)動電路的研究成為熱點。MP4021是一款專門針對LED設(shè)計的電源驅(qū)動芯片，它集成PFC，與傳統(tǒng)應(yīng)用于PFC電路的控制芯片L6562相比，既能滿足LED亮度調(diào)節(jié)的要求，又能實現(xiàn)PFC。

在此設(shè)計了一款基于MP4021芯片的LED驅(qū)動電源電路，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，具有高性價比和高可靠性。經(jīng)過實驗證明基于MP4021芯片的LED驅(qū)動電源具有很高的實用性。

2 原理與設(shè)計

所設(shè)計的驅(qū)動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(qū)動芯片，使用反激變換器來實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。該電路不僅可實現(xiàn)高功率因數(shù)，而且還能很好地將前級與后級隔離，是一款效率較高的實用型電路。

2.1 電源驅(qū)動芯片介紹

目前市場上應(yīng)用于PFC電路最普遍的芯片是L6562，很多工程師設(shè)計的驅(qū)動電源是結(jié)合L6562和Boost拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)PFC。而MP4021是一款專門針對LED驅(qū)動設(shè)計的芯片，集成PFC，只需簡單的外圍電路設(shè)計即可實現(xiàn)對輸出電流的控制和高功率因數(shù)。L6562的引腳、應(yīng)用電路的工作原理以及實驗波形詳見文獻。

2.1.1 MP4021芯片說明

MP4021專門針對LED而設(shè)計，集成PFC，功率因數(shù)很高。工作在臨界導(dǎo)通模式，降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗;省去光耦和相關(guān)電路，降低了成本;采用獨特的開關(guān)管控制技術(shù)，對開關(guān)管和快恢復(fù)二極管的要求大大降低，與一些必須選擇昂貴開關(guān)管和二極管的方案相比，能進一步節(jié)省成本;效率在80%以上、全電壓輸入，電流精度在1.5%內(nèi)。MP4021采用SOIC8封裝，芯片引腳有：引腳1為內(nèi)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(qū)動引腳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)以實現(xiàn)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是實現(xiàn)PFC的控制器，要想達到要求還需設(shè)計復(fù)雜的外圍電路，而MP4021是一款內(nèi)置PFC的芯片。與L6562相比，MP4021可實現(xiàn)真正的電流控制，無需二次反饋電路;功率因數(shù)不小于0.9，超過了通用輸入電壓;還可實現(xiàn)短路保護及過溫保護。未來幾年內(nèi)，MP4021等單級高功率因數(shù)控制芯片必將會憑借其獨特優(yōu)勢占據(jù)LED驅(qū)動電源的市場，成為主流芯片。

2.2 功率因數(shù)校正電路

2.2.1 功率因數(shù)校正原理

傳統(tǒng)電源電路是采用橋式整流和在整流橋后加一個大容量濾波電解電容組成的電容輸入型電路，其功率因數(shù)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(dǎo)致電流波形嚴重失真，如圖1所示，線路功率因數(shù)嚴重下降。為提高功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波污染，提高電網(wǎng)輸送能力，必須采用PFC。

PFC實際上是對輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時改善電源系統(tǒng)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(nèi)置功率因數(shù)校正原理

內(nèi)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(dǎo)PFC的工作原理。開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器初級線圈電感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為開關(guān)管導(dǎo)通時間。

由式(1)可得：

芯片引腳1對輸入線電壓進行采樣，作為芯片內(nèi)部乘法器的一個輸入端，該引腳連接到從整流后線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。開關(guān)管的電流通過感測電阻器RCS，產(chǎn)生的電壓uCS與uref比較以確定開關(guān)管的關(guān)斷時刻。由于誤差放大器的頻帶寬度取得較低，所以穩(wěn)態(tài)時Ton保持恒定。當外部開關(guān)管關(guān)斷時，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(dǎo)通，然后電感電流開始從峰值線性減少到零。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，開關(guān)管一個開關(guān)周期內(nèi)，Ton和關(guān)斷時間Toff分別為：

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

2.3 基于MP4021的電源電路設(shè)計

2.3.1 電路設(shè)計原理

鑒于MP4021芯片的優(yōu)越性能，設(shè)計了一款基于MP4021的LED驅(qū)動電源電路，如圖3所示。主電路在整流橋前端加一個電源濾波電路，以有效抑制來自電網(wǎng)的噪聲，同時滿足電源產(chǎn)品電磁兼容性的要求。接通電源后，來自電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過濾波器然后進行全橋整流，整流輸出的是正弦半波直流脈動電壓，且電流波形中含有豐富的諧波。所設(shè)計的驅(qū)動電源電路采用MP4021作為驅(qū)動電源芯片，與傳統(tǒng)采用L6562+恒流芯片的方案相比具備系統(tǒng)成本優(yōu)勢，外圍電路也更簡單。

最初，芯片引腳3通過啟動電阻R1充電，當電壓達到12 V時，邏輯控制電路工作且柵極驅(qū)動信號開始切換，然后正常工作時芯片由輔助繞組繼續(xù)供電。芯片引腳4輸出PWM脈沖來控制MOSFET的通斷。當MOSFET導(dǎo)通時，初級電感電流線性增加，流經(jīng)RCS，通過引腳5與正弦參考電壓進行比較，當uCS達到正弦幅值時，MOSFET關(guān)斷。當MOSFET關(guān)斷時，初級電感的極性就會翻轉(zhuǎn)，初級儲存的能量通過次級繞組和二極管整流，并經(jīng)濾波電容，然后為LED供電。

MP4021可控制來自初級的次級電流，通過采樣電阻將初級的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將其反饋到芯片的內(nèi)部，調(diào)整對MOSFET柵極的脈沖占空比來實現(xiàn)恒流控制。

2.3.2 主要參數(shù)設(shè)計

實際實驗時，搭建了一款基于MP4021的8 WLED燈泡電源驅(qū)動器，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(shù)的計算和選擇方法。

①匝數(shù)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(jù)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(fù)二極管都可使用。

②變壓器設(shè)計：在

時，電感電流工作頻率為最小值，這里設(shè)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(jù)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LP的最大有效電流;Bmax為允許的最大磁通密度;Ku為一個離線變壓器繞組系數(shù);Ki為電流密度系數(shù)。

參閱制造商的數(shù)據(jù)表來選擇合適的磁芯，這里選擇EFD20型鐵心，其參數(shù)為：AE=0.31 cm2，AW=0.507 cm2，AP=0.157 cm4;平均每匝導(dǎo)線長度為5.3 cm;磁芯的相對磁導(dǎo)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(shù)為：

由此得到Np=144，次級匝數(shù)Ns=Np/N=24。

3 結(jié)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(jié)構(gòu)的高功率因數(shù)實現(xiàn)控制芯片MP4021，并與傳統(tǒng)的控制芯片L6562進行了對比分析，給出了應(yīng)用MP4021在8 W LED照明的驅(qū)動電源設(shè)計實例。測試結(jié)果表明，整機效率達到0.83，功率因數(shù)值在180 V時為0.96，在220 V時為0.95，在240 V時為0.936。