基于SEPIC變換器的高功率因數(shù)LED照明電源設(shè)計(jì)

1、驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式

LED需要的驅(qū)動(dòng)電源，由交流電整流后再直直變換得到，整流電路通常采用二極管橋式整流并用電解電容進(jìn)行濾波，這種方式功率因數(shù)比較低，對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)較大的諧波污染，通過有源功率因數(shù)校正電路減小諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，因此電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要能夠較好的實(shí)現(xiàn)PFC，同時(shí)損耗也是需要考慮的重要因素，最后LED的電源通常都需要封閉起來(lái)，變換器的尺寸也受到限制。因此選擇的變換器應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：器件少，高效率，尺寸小。常用的有源功率因數(shù)校正的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有BOOST，反激變換器，SEPIC等。BOOST變換器簡(jiǎn)單，效率比較高，但是其只能實(shí)現(xiàn)升壓，適合于輸出電壓高于輸入電壓的場(chǎng)合，LED驅(qū)動(dòng)電源需要升/降壓，因此不能選用BOOST。隔離型的反激變換器也可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，輸出電壓既能升壓又能降壓，但是反激變換器中的變壓器只工作在第一象限，磁芯利用率不高，同時(shí)需要加上一些緩沖電路，變換器的效率不高，且電源尺寸大。而SEPIC電路的輸出可以實(shí)現(xiàn)升壓也可以實(shí)現(xiàn)降壓，而且相對(duì)反激變換器，SEPIC變換器的輸入電流是連續(xù)的，用于濾波的輸入電感體積小，且SEPIC不需要添加緩沖電路，可以減小電源的尺寸，提高電源的效率，所以選擇SEPIC電路作為驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1為基于SEPIC變換器的高功率LED照明電源主電路和控制電路簡(jiǎn)圖。LED的亮度和流過LED的電流大小基本是成正比的，只要控制LED的電流大小就可以調(diào)節(jié)LED的亮度。圖1中C1上的電壓為經(jīng)過橋式整流后的電壓，R1和MOS管串聯(lián)，采樣流過MOS管的電流，R2和負(fù)載LED串聯(lián)，采樣負(fù)載電流信號(hào)。

從圖1可以看出，R2對(duì)流過LED上的電流采樣，得到的信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)Vref進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)放大器放大后，作為乘法器的一路輸入，用于控制LED的亮度，改變采樣電阻R2的大小，就可以改變LED的亮度。乘法器的另一路輸入為輸入端電壓的采樣信號(hào)，乘法器輸出結(jié)果再與MOS管和電感L1的電流采樣信號(hào)相比較，產(chǎn)生的PWM脈沖用于控制MOS管的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流和輸入電流的控制，最終完成LED亮度調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正。

2、SEPIC工作原理分析

根據(jù)流過D5的電流是否總大于零將SEPIC電路的工作模式分為斷續(xù)工作模式，連續(xù)工作模式(connuouscurrentmode，CCM)和臨界連續(xù)工作模式，采用BCM實(shí)現(xiàn)PFC。臨界連續(xù)模式下不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路如圖2所示。下面分析中Ts表示開關(guān)周期，Ton，Td分別是一個(gè)周期內(nèi)MOS管導(dǎo)通和二極管導(dǎo)通的時(shí)間。

1)工作模式一：MOS管開通

為MOS管導(dǎo)通時(shí)SEPIC電路的等效電路圖。在t=0時(shí)，MOS管Q導(dǎo)通，二極管D5截止，圖中把C1的電壓vc1作為電源電壓，這是一個(gè)經(jīng)過二極管橋式整流后的脈動(dòng)波，脈動(dòng)波的峰值用VC1表示。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于母線頻率，因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)母線電壓可以認(rèn)為是不變的，即認(rèn)為C1上的電壓vc1是恒定的，輸入為一個(gè)直流信號(hào)。這時(shí)形成兩個(gè)回路：第一個(gè)是電源C1，L1和Q回路，在vc1的作用下，電感電流iL1線性增長(zhǎng)，電流波形如圖3(a)所示。第二個(gè)是C2，Q和L2回路，電感電流iL2線性增長(zhǎng)，同時(shí)C3向負(fù)載供電，電流波形圖如圖3(b)所示。假設(shè)在t=0時(shí)刻流過電感L1電流和流過L2電流分別是iL1(0)和iL2(0)，當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，加在L1的電壓為vc1，可以證明當(dāng)C2大小選擇合適有vc2=vc1，則L2上電壓也為vc1?？梢缘玫?/p>

式中0≤t≤Ton。從以上3個(gè)式子和圖3都可以看出，當(dāng)t=Ton時(shí)，iL1(t)和iL2(t)最大，這時(shí)MOS管關(guān)斷，工作模式一結(jié)束，MOS管上電流波形如圖3(b)所示。

2)工作模式二：二極管導(dǎo)通

圖2(b)為MOS管關(guān)斷時(shí)SEPIC電路的等效電路圖。當(dāng)t=Ton時(shí)MOS管Q關(guān)斷，此時(shí)形成兩個(gè)回路，第一個(gè)是電源C1、L1、C2經(jīng)過二極管D5到負(fù)載，電源和電感L1儲(chǔ)能同時(shí)向C2和負(fù)載饋送，C2儲(chǔ)能增加，而iL1減小;另外L2經(jīng)D5至負(fù)載的回路，L2儲(chǔ)能釋放到負(fù)載，故iL2下降，電流波形如圖3(a)，(b)所示。由于D5導(dǎo)通，加在L2上的電壓為-V0，其中V0為輸出電壓，同時(shí)C1上的電壓等于輸入電壓，所以加在L1上的電壓也為-V0，當(dāng)iL1=-iL2時(shí)流過二極管D5的電流下降到0，二極管關(guān)斷，二極管電流波形如圖3(d)所示。這時(shí)MOS管Q就導(dǎo)通，電路工作在臨界連續(xù)模式。根據(jù)以上分析，二極管導(dǎo)通階段可以得到

通過選擇合適的R3，R4，C4和C5值調(diào)節(jié)控制環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)，使得本電源的整個(gè)控制環(huán)路的帶寬小于20Hz而低于線電壓頻率，補(bǔ)償器的輸出可以被認(rèn)為在1/2個(gè)工頻周期內(nèi)是恒定的，因此MOS管的峰值電流與線電壓成正比，MOS管的峰值電流也是正弦曲線，正弦曲線的峰值用Ipk表示，可以得到MOS管電流的峰值。

在臨界連續(xù)模式下，根據(jù)式(1)和式(2)可以得到

其中ton(t)為半個(gè)工頻周期范圍內(nèi)每個(gè)開關(guān)周期中MOS管導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)MOS管Q導(dǎo)通時(shí)，根據(jù)式(3)可以得到流過MOS管的峰值電流為

通過式(12)可以看出，當(dāng)SEPIC電路工作在臨界連續(xù)模式時(shí)，在一定的輸入電壓和負(fù)載條件下，MOS管的開通時(shí)間是固定的。根據(jù)L1，L2上的伏秒平衡可得td(t)=Tonvc1(t)/V0，可以得到MOS管的開關(guān)頻率為

可以看出來(lái)，臨界連續(xù)的SEPIC電路的開關(guān)頻率是隨著輸入電壓變化的，這和工作在恒定開關(guān)頻率的DCM是不同的。

考慮到電路工作在臨界連續(xù)模式下，MOS管剛開通時(shí)流過MOS管的電流為0，根據(jù)C2上的安秒平衡可以得到

是理想的正弦波，功率因數(shù)為1。同時(shí)當(dāng)K很小的時(shí)候，可以使功率因數(shù)接近1。

3、SEPIC電路參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中具體電路參數(shù)為：輸入電壓幅值范圍：AC85～265V;L1=1.4mH;L2=0.45mH;C1=10nF;C2=0.47μF;C3=680μF;LED為20個(gè)高亮白光LED串聯(lián)?？刂骗h(huán)路補(bǔ)償器件參數(shù)：R3=22kΩ;R4=27kΩ;C4=1μF;C5=33nF。輸出電流：350mA。功率因數(shù)：0.9以上。輸出電壓紋波：《5%。

圖4所示為輸入電壓和輸入電流的相位關(guān)系。圖中輸入電壓為經(jīng)變壓器降壓后的電網(wǎng)電壓。通過圖4可以看出，輸入電流與輸入電壓相位相同，輸入電流很好的跟隨輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

圖5所示為經(jīng)過二極管橋式整流后的輸入電壓，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓，電感L1和電感L2上的電流波形圖，其中圖5(a)為全局圖，圖5(b)和圖5(c)為局部放大圖。

從圖5(a)可以看出，電感L1和電感L2上的電流波形的包絡(luò)線是正弦交流電壓的正半周。圖5(b)和圖5(c)的實(shí)驗(yàn)波形和圖3的理論分析得到的

通過圖5(b)和圖5(c)比較可以看出，MOS管的導(dǎo)通的時(shí)間是恒定的，關(guān)斷時(shí)間是可變的，開關(guān)頻率也是可變的，這也是和DCM的控制的一個(gè)區(qū)別。

圖6所示為經(jīng)過二極管橋式整流后的輸入電壓，輸出電壓紋波和輸出電壓的關(guān)系，可以看出當(dāng)輸出直流電壓為65V時(shí)，紋波電壓峰峰值為2V，輸出紋波約為3%，輸出紋波較小。

圖7為不同的輸入電壓時(shí)，SEPIC變換器的功率因數(shù)和效率曲線?？梢钥闯?，在一定的輸出電壓條件下，輸入電壓變高，功率因數(shù)在逐漸變低，這個(gè)結(jié)論和以上對(duì)SEPIC工作在臨界連續(xù)模式下，功率因數(shù)和輸入電壓關(guān)系的理論分析是一致的。雖然電壓高時(shí)，功率因數(shù)有所下降，但是都在0.95以上，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，并且整個(gè)電源效率高達(dá)92.3%。

4、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種用于LED照明的高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)，電源主電路拓?fù)洳捎肧EPIC變換器，利用單級(jí)變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，使用的器件少，損耗低，電源體積小;反饋控制簡(jiǎn)單，能對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓和降壓控制和對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的亮度控制。文中首先從理論上證明了SEPIC變換器工作在臨界連續(xù)模式時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，分析了功率因數(shù)值和輸入輸出電壓比的關(guān)系，然后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明輸入電壓在85～265V之間功率因數(shù)值都在0.95以上，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，并可以對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制，整個(gè)電源的效率高達(dá)92.3%。