一種單級功率因數(shù)校正LED驅(qū)動電源設(shè)計

在能源危機和氣候變暖問題越來越嚴重的今天，節(jié)能與環(huán)保已成為社會焦點議題。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)點等特點受到人們的廣泛關(guān)注，被認為是21世紀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;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對電流的敏感度要高于對電壓的敏感度，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)動的問題。傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電源雖然可以實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)，但是不能實現(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為電路簡圖。電路采取單級反激式拓撲，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。它的啟動工作電流只有幾十微安，利用它的零電流檢測FAN7527B的5腳可以實現(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)用場合更是如此。在輸出重負載的應(yīng)用場合，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，確保負載短路時變壓器不發(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(APFC變壓器去磁)，控制功率開關(guān)管Q2重新開始下一個開關(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驗來確定，本電路中取值為33K。Rs2采樣負載LED電流信號，R7、R8構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)對LED上的電壓進行采樣。Rs2采樣LED上的電流與TM101上的基準信號CVin進行比較，經(jīng)誤差經(jīng)放大器對輸出進行恒流控制，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上的基準信號CVin進行比較，經(jīng)誤差放大器對輸出電壓控制，送入TM101的這兩路信號相“與”后通過光耦送入控制芯片F(xiàn)AN75 27B的誤差放大器進入乘法器。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，這兩路信號的乘積就是乘法器輸出，該輸出信號使得電感電流跟蹤乘法器的輸出波形信號，產(chǎn)生的PWM脈沖控制MOS管Q1的開關(guān)，實現(xiàn)對負載電流和輸入電流的控制，完成LED實現(xiàn)對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，而且還會影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性，所以在設(shè)計制作時，對磁芯材料的選擇，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)計算

變壓器的設(shè)計輸出能力

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。

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

(2)計算初、次級的峰值電流

(3)計算初級電感量及氣隙長度

初級電感量

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)計算變壓器繞組的匝數(shù)

a初級與次級匝數(shù)的變化

b初級繞組匝數(shù)：初級繞組的匝數(shù)

得到的匝數(shù)為21匝。

c次級繞組的匝數(shù)

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

3 試驗結(jié)果

根據(jù)上述分析，制作輸出功率120W樣機進行試驗，樣機的輸入電壓：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時測得的輸入電流波形，可以看出輸入電流接近標準的正弦波，實測功率因數(shù)達0.977。

圖3所示為輸入220V，輸出滿載時的輸出電流波形。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為核心的單級反激式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動電源，與相同功率等級的LED驅(qū)動電源相比較，主要優(yōu)點是它的高功率因數(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)用場合更是如此。該電源在輸出重負載的應(yīng)用場合，電路具有較高效率(大于0.88)，發(fā)熱量小的特點，減小了對LED燈頭的損害。