一種單級(jí)功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

在能源危機(jī)和氣候變暖問題越來越嚴(yán)重的今天，節(jié)能與環(huán)保已成為社會(huì)焦點(diǎn)議題。LED因其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的照明光源。傳統(tǒng)的白熾燈效率低、耗電高;熒光燈省電，但使用壽命短、易碎，廢棄物存在汞污染;高強(qiáng)度氣體放電燈存在效率低、耗電高、壽命短、電磁輻射危害等缺點(diǎn);若能以LED照明取代目前的低效率、高耗能的傳統(tǒng)照明，無疑能緩解當(dāng)前越來越緊迫的能源短缺和環(huán)境惡化問題。由于LED自身的伏安特性及溫度特性，使得LED對(duì)電流的敏感度要高于對(duì)電壓的敏感度，故不能由傳統(tǒng)的電源直接給LED供電。因此，要用LED作照明光源首先就要解決電源驅(qū)動(dòng)的問題。傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電源雖然可以實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)，但是不能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，輸入功率因數(shù)比較低，諧波比較大。為了使LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入電流諧波滿足要求，必須加功率因數(shù)校正。本文介紹一種單級(jí)PFC反激式LED電源，該電源所用器件少，損耗低，具有較高的的功率因數(shù)和效率。

1 電路原理分析

圖1為電路簡(jiǎn)圖。電路采取單級(jí)反激式拓?fù)?，由全波整流，DC/DC變換，輸出整流濾波電路，誤差反饋電路，PWM控制器電路構(gòu)成。

FAN7527B是飛兆半導(dǎo)體公司推出的有源功率因數(shù)校正控制芯片。該芯片內(nèi)部乘法器電路的優(yōu)異性能，可以用于寬交流市電輸入電壓范圍的應(yīng)用場(chǎng)合(85～265VAC)。并使所構(gòu)成電路的THD值很小，從而獲得良好的有源功率因數(shù)校正控制功能。它的啟動(dòng)工作電流只有幾十微安，利用它的零電流檢測(cè)FAN7527B的5腳可以實(shí)現(xiàn)電路的關(guān)斷控制功能。

電路的輸入電容的容量很小(即交流輸入市電整流輸出濾波電容容量很小)，因此APFC電路的輸入電壓最大值很接近于交流輸入市電電壓整流后輸出電壓的峰值。該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是它的高功率因數(shù)(一般大于0.92)，可以很好地滿足有關(guān)EMC和THD的技術(shù)要求，特別是在寬交流市電輸入電壓范圍的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。在輸出重負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合，該電路可以得到較高的工作效率，一般工作效率接近90%，工作于電流臨界導(dǎo)通工作模式可以使APFC功率開關(guān)管MOSFET的導(dǎo)通損耗比較小，有利于減少散熱器的體積。

圖中C1上的電壓為經(jīng)過橋式整流后的電壓，Rs1采樣流過MOS管的電流，進(jìn)行逐周期限電流控制，使MOS管的電流峰值不至于太大，確保負(fù)載短路時(shí)變壓器不發(fā)生磁飽和。利用輔助繞組完成變壓器一次繞組的電流過零檢測(cè)(APFC變壓器去磁)，控制功率開關(guān)管Q2重新開始下一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通工作周期的工作，F(xiàn)AN7527B的Idet引腳外接的電阻R4阻值在幾十千歐的范圍內(nèi)，使電路工作于“準(zhǔn)零電壓導(dǎo)通”的工作方式。R4電阻值取值和變壓器的一次繞組的電感量和功率開關(guān)管MOSFET的輸出電容有關(guān)，具體電阻值可以通過實(shí)驗(yàn)來確定，本電路中取值為33K。Rs2采樣負(fù)載LED電流信號(hào)，R7、R8構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)LED上的電壓進(jìn)行采樣。Rs2采樣LED上的電流與TM101上的基準(zhǔn)信號(hào)CVin進(jìn)行比較，經(jīng)誤差經(jīng)放大器對(duì)輸出進(jìn)行恒流控制，LED的亮度和流過LED的電流大小基本成正比的，只要控制流過LED的電流大小就可以調(diào)節(jié)LED的亮度。R7、R8采樣LED上的電壓與TM101上的基準(zhǔn)信號(hào)CVin進(jìn)行比較，經(jīng)誤差放大器對(duì)輸出電壓控制，送入TM101的這兩路信號(hào)相“與”后通過光耦送入控制芯片F(xiàn)AN75 27B的誤差放大器進(jìn)入乘法器。乘法器另一路是通過R13、R19、R23和R27采樣經(jīng)全波整流后的市電信號(hào)，這兩路信號(hào)的乘積就是乘法器輸出，該輸出信號(hào)使得電感電流跟蹤乘法器的輸出波形信號(hào)，產(chǎn)生的PWM脈沖控制MOS管Q1的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流和輸入電流的控制，完成LED實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流限壓控制和輸入功率因數(shù)的校正。

2 變壓器參數(shù)計(jì)算

變壓器是電源的核心器件之一，變壓器性能的好壞不僅影響變壓器自身發(fā)熱和效率，而且還會(huì)影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性，所以在設(shè)計(jì)制作時(shí)，對(duì)磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等都要周密考慮。

設(shè)計(jì)參數(shù)：①fs=80-120kHz，Bs=0.2T，D=0.45;②AP=Ae×Aw=1.82cm4;③輸入輸出電壓：Vin=176～264VAC;Vout=176～264VAC;=36V;④輸出電流：Io=3.8A，⑥電路形式：反激式，變壓器選用PC40 PQ32/25磁芯。

(1)變壓器的參數(shù)計(jì)算

變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力

其中，電流密度δ=300A/cm2，輸出功率PT=136W，窗口占空系數(shù)Kw=0.4。

變壓器的實(shí)際輸出能力AP=Ae×Aw=0.55cm4，磁芯滿足設(shè)計(jì)要求。[!--empirenews.page--]

(2)計(jì)算初、次級(jí)的峰值電流

(3)計(jì)算初級(jí)電感量及氣隙長度

初級(jí)電感量

氣隙長度(mm)

其中△B為磁通密度的變化量，△B=0.805BS+125GS=1730GS-0.173T，其中單位為mT。

(4)計(jì)算變壓器繞組的匝數(shù)

a初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)的變化

b初級(jí)繞組匝數(shù)：初級(jí)繞組的匝數(shù)

得到的匝數(shù)為21匝。

c次級(jí)繞組的匝數(shù)

輸出電壓均為36V，則得次級(jí)輸出匝數(shù)N22=N21=N1/n=75/12.5=6，則取6匝。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述分析，制作輸出功率120W樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)的輸入電壓：AC 220V，輸出電流恒流3.5A。電路主要參數(shù)：誤差放大器補(bǔ)償參數(shù)：C4=1μF，R5=63K，R11=47K;輸出電容C6=3300μF，功率管選用飛兆半導(dǎo)體的17N80C3。

圖2是輸入220V，輸出滿載120W時(shí)測(cè)得的輸入電流波形，可以看出輸入電流接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，實(shí)測(cè)功率因數(shù)達(dá)0.977。

圖3所示為輸入220V，輸出滿載時(shí)的輸出電流波形。紋波電流峰峰值120mA，輸出電流中疊加有2倍市電供電頻率的紋波電流。

4 結(jié)束語

本文介紹了以FAN7527B為核心的單級(jí)反激式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)電源，與相同功率等級(jí)的LED驅(qū)動(dòng)電源相比較，主要優(yōu)點(diǎn)是它的高功率因數(shù)(一般大于0.95)，可以很好地滿足有關(guān)電磁兼容和電流諧波分量的技術(shù)要求，特別是在寬交流市電輸入電壓范圍的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。該電源在輸出重負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合，電路具有較高效率(大于0.88)，發(fā)熱量小的特點(diǎn)，減小了對(duì)LED燈頭的損害。