高效單級變換式LED驅(qū)動電源設(shè)計方案

摘要：無論民用或商用領(lǐng)域，功率100 W 以下的交流電源都有著巨大的應(yīng)用需求。由于要兼顧輸入諧波電流、功率因數(shù)、系統(tǒng)能效等問題，采用臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源拓?fù)涑蔀榉浅Ｍ昝赖男」β手绷麟娫唇鉀Q方案。它具有高的轉(zhuǎn)換效率，在高端小電源供應(yīng)器中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在LED照明驅(qū)動方面極具優(yōu)勢。文章主要闡釋小功率(≤100 W)單級AC/DC轉(zhuǎn)換器的原理，分析其正弦調(diào)制原理及獲得高功率因數(shù)、高能效的原因，并探討了轉(zhuǎn)換器的功能和優(yōu)點，最后設(shè)計了一個采用仙童FAN6961芯片控制的48 V輸出75 W 的LED驅(qū)動電源，實驗驗證和批量生產(chǎn)證明本方案設(shè)計合理、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好，能夠有效提高能效、功率因數(shù)，避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風(fēng)能、太陽能、生物能源等成為熱點。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經(jīng)濟、技術(shù)風(fēng)險等不確定因素，所以各國政府都在積極發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產(chǎn)品的應(yīng)用研究，倡導(dǎo)產(chǎn)品降低能耗、提高效率、促進節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等工作?；贚ED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅(qū)動電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為LED光電照明產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

中國的國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T24825-2009"LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求"中規(guī)定：達到能效1級的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應(yīng)不小于88%(P>25 W );電源產(chǎn)品電磁干擾(EMI)性能應(yīng)符合國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001"電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值"和GB17743-2007"電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法"的相關(guān)要求。美國能源之星照明燈具規(guī)范(ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires)中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9.

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的性能直接關(guān)系到LED光源的性能。在全球提倡"節(jié)能減排"和"綠色電子"的大背景下，如何設(shè)計一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動電源是當(dāng)今廣泛關(guān)注的熱點問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正(PFC)電路，臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源供應(yīng)器拓?fù)?，通過正確設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可在兼顧電源品質(zhì)與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。[!--empirenews.page--]

1 單級AC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

AC/DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1.工作原理：開關(guān)管MOS驅(qū)動著反激式儲能隔離變壓器T,MOS導(dǎo)通時變壓器T儲能，關(guān)斷時變壓器T次級繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導(dǎo)通、關(guān)斷時間規(guī)律，可實現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC/DC反激式變換器原理圖

電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電路拓?fù)鋱D

圖2中：Lm為變壓器初級勵磁電感，Lr為漏電感，初級電感LP=Lm+Lr,次級電感為LS

1.1 SPWM 調(diào)制原理

如圖2所示，市電經(jīng)全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調(diào)制原理分析如圖3:IQ為MOS管在某一時刻的導(dǎo)通電流，IQ(sin)_PK是MOS的峰值電流，ID為次級二極管在MOS管關(guān)閉時刻的續(xù)流，ID(sin)_PK是二極管的峰值電流。

圖3 SPWM 調(diào)制圖

在調(diào)制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導(dǎo)通下一個驅(qū)動脈沖工作方式，以保障每個開關(guān)周期里T =TON+TOFF 。

如調(diào)制圖3,設(shè)市電輸入正弦波電壓：

Uin(t)=Uin_pksinωt

把市電輸入電壓離散化，則設(shè)第N 個點時，圖中△ABE所示，MOS導(dǎo)通，電壓與電感勵磁電流的關(guān)系如下：

若N 足夠大時，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設(shè)導(dǎo)通時間為常數(shù)：TON_N = 常數(shù)(const)，則上述MOS導(dǎo)通電流各點峰值IQ(sin)_pk組成的包絡(luò)就形成了正弦規(guī)律。

次級二極管瞬時峰值電流為ID(t)，根據(jù)勵磁電流引起的磁通不能突變原則可知：ID(t)=n IQ(t)=nIQ(sin)_pksinωt,且等式LP =n2 LS成立，其中參數(shù)n為變壓器的初、次級匝數(shù)比。

根據(jù)變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級伏秒規(guī)則如下：

式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向?qū)▔航怠?/p>

且根據(jù)：T =TON+TOFF

設(shè)在第N 點對IQ(sin)_pk_N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

則市電輸入電流：

由上幾個等式可得到：

設(shè)：UR =n (Uo+UF)并定義：UR為反射電壓。

又設(shè)定電壓反射比為：

則可得輸入電流的表達式：

由輸入電流表達式可見：在開關(guān)管按恒定導(dǎo)通時，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關(guān)，即THDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數(shù)比n(這里n=N1/N2 )等。

根據(jù)上述表達式把輸入電流正弦波特性與Rvr關(guān)系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數(shù)值越小時，輸入電流就越正弦，失真度就越小;反之則正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

1.2 高功率因數(shù)輸入的器件優(yōu)化選擇原則

設(shè)定輸入電壓為純凈正弦波，輸入功率因數(shù)和諧波電流關(guān)系如下式：

式中，θ 為基波電壓與基波電流的相角差;這里可設(shè)cosθ=1 .把以上關(guān)系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和THDI值繪圖，如圖5、圖6所示，由關(guān)系圖可知：Rvr值越小對功率因數(shù)和諧波電流越好，但是從系統(tǒng)性價比來看，Rvr并非越小越好;這是因為：由電流表達式可知，Rvr小就意味著反射電壓UR高，匝數(shù)比N要求也大，也就是說MOS關(guān)斷所承受的反峰電壓就高，而相對于二極管D反向電壓值要求反而小，反之若Rvr值過大，則PF值和THDI值差，但是對MOS電壓要求低而二極管耐壓則相對要求高，過度要求Rvr值對系統(tǒng)安全和器件優(yōu)化選擇是不利的，要從優(yōu)化系統(tǒng)性能與成本的角度出發(fā)去選擇N 值。

允許MOS關(guān)斷電壓、二極管反向電壓、匝數(shù)比N三者之間存在直接關(guān)聯(lián)，圖7是一個設(shè)計案例中得到的三者關(guān)聯(lián)仿真圖(設(shè)計交流輸入最大265 V,直流輸出50 V)。如圖7所示：按照器件的最佳性價比，推薦器件的選擇區(qū)域和變壓器的匝數(shù)比為圖中陰影部分是比較理想的。

圖5 功率因數(shù)仿真曲線圖

圖6 諧波失真度仿真曲線圖

圖7 功率器件參數(shù)選擇圖

2 單級AC/DC主要參數(shù)設(shè)計

在單級AC/DC 的設(shè)計中，儲能電感、變壓器規(guī)格、氣隙長度等參數(shù)的選擇直接影響驅(qū)動電源的性能參數(shù)，本文通過理論計算和經(jīng)驗判斷相結(jié)合，得出合適的參數(shù)。

(1)儲能電感值LP確定。

最低頻率取50 kHz,最大導(dǎo)通時間取10μs.

(2)變壓器參數(shù)規(guī)格。

DC/DC單級反激式變壓器的功率容量乘積表達式：

或表示為：

式中，P 為輸入功率，單位W;f 為工作頻率，單位Hz;△B 為工作磁通密度，單位GS;Km為窗口填充系數(shù);δ為電流密度，單位A/cm2;△T 為開關(guān)管導(dǎo)通時間，單位s。

理論計算得出來的AP值還要增加相應(yīng)余量才能作為正確的取值，此時經(jīng)驗判斷在應(yīng)用中比較重要，由于磁材廠家在這方面有非常好的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此，選取變壓器只要在設(shè)計時確定電路參數(shù)如頻率、功率等，就可以方便快速地從變壓器廠家的規(guī)格推薦表中選取所需的型號。

本設(shè)計：輸出功率75 W,最低頻率65 kHz,根據(jù)TDK規(guī)格書，選取PQ3230。

(3)氣隙的確定。

根據(jù)如下儲能公式確定氣隙長度Lg.

式中，Ae為170 mm2,Bm取1 950 GS,則計算出Lg為0.35 mm,但在實際設(shè)計時會有10%的誤差，可以實際修正。[!--empirenews.page--]

(4)由氣隙確定變壓器的AL值。

由于磁芯規(guī)格和氣隙已確定，可以通過給磁芯繞一定的匝數(shù)來確定AL值。

(5)初級匝數(shù)n.

根據(jù)：Lm =ALn2本設(shè)計：取55匝。

(6)根據(jù)允許的紋波電壓，確定輸出濾波電容：

本設(shè)計：取3 000μF/100 V.

(7)匝數(shù)比N 取值。

由上面的仿真圖和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，兼顧功率器件特別是系統(tǒng)特性指標(biāo)的性價比，本設(shè)計案例Rvr可以取值2,根據(jù)反射電壓公式得出N 值為2,Rvr確定后，查曲線可得PF值大約為0.95,THDI≤20% 左右，這對于小功率的直流供應(yīng)器來說是很好的指標(biāo)，優(yōu)于目前國內(nèi)外各種標(biāo)準(zhǔn)要求。

(8)功率開關(guān)器件MOS與二極管的確定當(dāng)N 值、漏感確定、輸出電壓確定后，反射電壓、漏抗引起的反峰電壓就能確定，則確定MOS、二極管等耐壓值就很容易算出;根據(jù)功率規(guī)格，計算出電流大小，則確定MOS、二極管電流值就很容易算出。

本例：MOS電壓要求等于輸入市電峰值電壓+反射電壓+漏感引起的反向電壓，則?。?1 A,800 V ,型號：SDA11NS0C3 二極管Diode?。?0 A,200 V,型號：MBR20200CTG.

3 實驗驗證

按照以上的參數(shù)設(shè)計，本文提出的LED驅(qū)動電源通過小批量試驗和批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好。典型試驗波形如圖8、圖9所示，THDI=16.9%,實測PF=0.967,由于采用BCM 模式，出現(xiàn)了電流紋波，但對電源綜合性能影響不大。產(chǎn)品經(jīng)國家LED質(zhì)檢中心檢驗，各項技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

其中，電源效率大于90%,達到能效1級;功率因數(shù)大于0.95,符合能源之星規(guī)范限值要求;諧波電流符合國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:

2001限值要求;傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾符合國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB17743-2007限值要求。

圖8 輸入電流的諧波含量

圖9 市電(全橋整流后)與輸入電流

4 結(jié) 論

高性價比、高效率LED技術(shù)的日新月異，LED照明也得以快速發(fā)展;相應(yīng)的照明工程需要兼顧系統(tǒng)能效、功率因素、諧波電流等多種因素，這就要求其選擇合適的LED驅(qū)動電源解決方案。為此，本文提出采用臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源拓?fù)?，通過理論計算和經(jīng)驗分析確定合理的變換參數(shù)，設(shè)計了一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動電源。該驅(qū)動電源同時還具有主開關(guān)MOS管實現(xiàn)低電壓零電流導(dǎo)通，整流二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷并避開其負(fù)面的反向恢復(fù)特性，可以顯著提高其工作效率、降低損耗和減小系統(tǒng)電磁干擾。通過實驗驗證和批量生產(chǎn)證明本方案設(shè)計合理、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染，適合批量生產(chǎn)，對于LED照明驅(qū)動電源、其它電源供應(yīng)器廠家和電源設(shè)計者具有很好的參考價值。