【導(dǎo)讀】LED照明具有節(jié)能，光效高，壽命長，無污染等特點，在照明領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但相比傳統(tǒng)照明，LED照明的價格偏貴，因此，在保證低元器件成本的前提下，設(shè)計出具有高功率因數(shù)且性能高可靠LED驅(qū)動變得尤為重要。
隨著LED燈在眾多領(lǐng)域里的應(yīng)用，譬如商業(yè)照明和家庭照明，LED照明已全面有取代傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈之勢，因為相比傳統(tǒng)照明，LED照明盡管在價格上偏貴于傳統(tǒng)照明，但它具備節(jié)能，光效高，壽命長，無污染等顯著優(yōu)點，所以，LED照明能在短時內(nèi)被市場認(rèn)同。另外，隨著能源資源無節(jié)制地消耗，帶有節(jié)能性能的照明產(chǎn)品已受到政府組織的推廣，一些國家的能源組織也有發(fā)布相關(guān)政策，補貼滿足其標(biāo)準(zhǔn)的照明產(chǎn)品。如商業(yè)照明產(chǎn)品功率因數(shù)大于0.9，家用大于0.7就是美國能源之星的強(qiáng)制要求之一。所以在關(guān)注LED燈高光效，長壽命特點的同時，在保證低元器件成本的前提下，設(shè)計出具有高功率因數(shù)且性能高可靠LED驅(qū)動變得尤為重要。
1 LED照明的發(fā)展概述
消費者從傳統(tǒng)照明轉(zhuǎn)換到LED照明是已經(jīng)被認(rèn)為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節(jié)省80%的能源，其壽命可以長至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節(jié)能燈，不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，如水銀，汞等重金屬物質(zhì)，也沒有像節(jié)能燈（CFL）在啟動時暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡到對環(huán)境與能源的厲害關(guān)系，政策上也會加速推廣LED照明，因為LED照明在發(fā)光原理、節(jié)能、環(huán)保的層面上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，盡管短時間內(nèi)LED照明的成本很高，譬如傳統(tǒng)60W白熾燈零售價格只有7WLED燈的1/10還不到，所以家庭用戶現(xiàn)階段對LED燈的價格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設(shè)中的商業(yè)照明市場中，如酒店和商場都使用了LED照明，已鮮見再有傳統(tǒng)照明的影子。
本文就將主要探討LED照明的驅(qū)動部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數(shù)。發(fā)達(dá)國家在照明領(lǐng)域里的能源問題已非常重視，譬如歐洲能源標(biāo)準(zhǔn)EVP5和美國能源之星在這方面已明確規(guī)定，住宅照明驅(qū)動器的功率因數(shù)PF必須大于0.7,商業(yè)照明大于0.9的強(qiáng)制性要求。
2 降壓式LED驅(qū)動器
2.1介紹說明降壓式LED驅(qū)動器
三種常用的基本電源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通常是指降壓BUCK，升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結(jié)構(gòu)，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地線上。每種結(jié)構(gòu)都有其自身的特性，如靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)換率，輸入輸出電流特性，輸出電壓紋波和最重要的頻率響應(yīng)特性，最普遍和最簡單的結(jié)構(gòu)要數(shù)降壓式BUCK結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計時選擇降壓結(jié)構(gòu)是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結(jié)構(gòu)。這里再提一下降壓式結(jié)構(gòu)的另外一個特點，因為主開關(guān)管的電流在每個開關(guān)周期內(nèi)都是由零上升到額定值，所以它的輸入電流總是非連續(xù)的，而輸出電流時連續(xù)的，這是由于輸出電流是依靠電感和輸出端的電容會提供的。
在實際LED驅(qū)動器設(shè)計中，對于中、高LED電壓輸出都會采用降壓式結(jié)構(gòu)，因為不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且元件成本和轉(zhuǎn)換效率上有明顯的優(yōu)點，所以其應(yīng)用非常廣。
圖2.1：降壓結(jié)構(gòu)線路圖和測試值
圖2.1是一個常規(guī)的BUCK降壓式線路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器,原理圖上可以看出它的外圍元件非常少，電路非常簡單，電感只需要一個繞組，不像其它控制器必須依靠另外的輔助繞組給芯片供電，這里它是采用了一顆高壓瓷片電容C5，連接到主開關(guān)管柵極來進(jìn)行充電，所以芯片啟動后，正常工作的電平都來自于這顆電容的作用。效率方面，它能達(dá)到90%以上，不足之處就是功率因數(shù)只有0.55左右，如圖2.1的曲線所示。
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2.2降壓式結(jié)構(gòu)LED驅(qū)動器的工作原理
降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖2.2所示，紫色通道是通過主開關(guān)管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開關(guān)管Q1的漏極電壓波形，藍(lán)色通道是輸入電流波形，黃色通道是輸入電壓的波形。
圖2.2：降壓結(jié)構(gòu)測試波形
可以看到流過主開關(guān)管的電流平均值基本是一條水平線，主要原因是整流后的濾波電容（C1，C2）容量很大，其充滿后的存貯電壓足夠已在整個周期內(nèi)泄放，所以輸入電壓總是會高于輸出電壓，每個周期內(nèi)流過開關(guān)管的電流通過電阻R5轉(zhuǎn)換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內(nèi)部的電流參考腳的電平是一個固定值，通常0.5V左右，當(dāng)達(dá)到參考值后，主開關(guān)管就停止工作，再等待下一個開通信號，就是檢測到開關(guān)管上的最低谷底電壓時，芯片再提供開通驅(qū)動信號給主開關(guān)管的柵極。所以，開關(guān)管每個周期的電流大小基本一致，這也就造成輸入線上電流（圖2.2中的淺藍(lán)色通道）的變化不是跟隨輸入電壓（圖2.2中的黃色通道）的變化而變化，所以在這種設(shè)計里，輸入功率因數(shù)會非常低，電流諧波也很大。
3 填谷式LED驅(qū)動器
3.1填谷式結(jié)構(gòu)中功率因數(shù)校正的原理
為了滿足能源之星和IEC(國際電工委員會的簡稱)相關(guān)要求，早期大多設(shè)計者采用被動填谷方式來提高輸入功率因數(shù)，大致電路結(jié)構(gòu)如下圖3.1所示：
圖3.1：填谷式結(jié)構(gòu)線路圖和仿真結(jié)果
元件C1，D5，C2，D7,D6組成主要填谷電路，每個周期內(nèi)交流電經(jīng)由橋堆D1~D4整流后，給C1，C2串聯(lián)著充電，D6防止C2反經(jīng)過C1放電，C1,C2的充滿的電荷經(jīng)由D7，D5并連著放電。圖3右側(cè)是電路輸入電流的仿真結(jié)果，能觀察到每個周期的輸入線電流從30°到150°和210°和330°角度內(nèi)連續(xù)變化，而150°到210°和330°到360°角度內(nèi)不連續(xù)變化，大多電流的畸變都是在這些不連續(xù)的時間內(nèi)發(fā)生，如果減少這些畸變，會進(jìn)一步提高諧波性能。仿真圖看到每個正負(fù)周期內(nèi)有一個高的電流尖峰，這也是造成電流畸變的因數(shù)之一，可以通過其它元件來抑制這個尖峰，但在大功率應(yīng)用里，需要平衡好效率和發(fā)熱方面的問題。
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3.2 實驗測試填谷式驅(qū)動器的功率因數(shù)
在常規(guī)的BUCK結(jié)構(gòu)上增加了上面介紹的被動式填谷電路，這里的元件分別是C1，C2，D2，D3，D4和R2組成，電阻R2可以改幫助改善諧波電流，降低圖3.1仿真結(jié)果上的最大電流尖峰，實驗中主控制降壓芯片用恩智浦公司的SSL21084產(chǎn)品，SSL21084只是把主開關(guān)管集成到芯片內(nèi)部，開關(guān)控制方式與SSL2109是完全一樣的，具體線路如圖3.2-1所示：
圖3.2.1：填谷式降壓結(jié)構(gòu)線路和測試結(jié)果
圖3.2-1右側(cè)是20W的LED驅(qū)動器的測試結(jié)果，采用被動式填谷電路后，當(dāng)輸入電壓從200V到265V內(nèi)變化時，功率因數(shù)PF已經(jīng)從原來的0.6提高到了0.9以上，效率也能達(dá)到92%，所以在提高功率因數(shù)的同時，效率沒有明顯的降低。圖3.2-2是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色通道是輸入電壓波形，淺藍(lán)色通道是輸入電流波形，很明顯雖然功率因數(shù)提高了，但輸入電流波形還是有畸變的，所以總諧波因數(shù)不是很好，測試數(shù)據(jù)顯示總電流諧波在38%，如圖3.2-2右側(cè)諧波測試數(shù)據(jù)所示，第3，5，7，9次奇次諧波值還是非常高。
圖3.2.2：填谷降壓式結(jié)構(gòu)測試波形和諧波結(jié)果
4 主動式LED驅(qū)動器
主動式功率因數(shù)校正的方式和特點
主動式功率因數(shù)校正常規(guī)上采用兩極拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)，前級用升壓電路結(jié)構(gòu)，后級直流轉(zhuǎn)換部分用隔離反激式結(jié)構(gòu)，如圖4.1示，功率因數(shù)校正芯片用恩智浦半導(dǎo)體的SSL4101控制器，它運行在臨界導(dǎo)通模式下，恒定導(dǎo)通時間控制，流過電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關(guān)系，所以輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數(shù)。這種控制環(huán)路可靠度高，常在中、大功率驅(qū)動器中使用。SSL4101也集成了反激轉(zhuǎn)換控制功能，如目前常采用準(zhǔn)諧振斷續(xù)式控制，準(zhǔn)諧振工作的特點就是確保主開關(guān)上的寄生電容上的電壓降到最低時導(dǎo)通，降低開關(guān)損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。副邊輸出的電壓和電流電平通過光電耦合器（簡稱光耦）來回授反饋給原邊控制器。相比填谷式結(jié)構(gòu)，主動式功率因數(shù)校正設(shè)計可以達(dá)到更高的功率因數(shù)和低的諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結(jié)構(gòu)的驅(qū)動設(shè)計非常復(fù)雜，元件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅(qū)動器中使用。
圖4：兩級主動式功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)圖
[page]5 單級功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器
5.1 采用單級功率因數(shù)校正的原因
不管是用填谷方式或主動式功率因數(shù)校正技術(shù)來提高功率因數(shù)，都有其各自的優(yōu)缺點，如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容，已致于元件成本和尺寸在緊湊型的LED燈設(shè)計中存在一定的局限性。兩級主動式結(jié)構(gòu)雖然能將功率因數(shù)和諧波性能實現(xiàn)得最好，但功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使電源的成本和體積增加，由此產(chǎn)生了單級功率因數(shù)校正技術(shù)，其拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件和后級DC-DC變換器的開關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數(shù)變換器有以下優(yōu)點：1）開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低；2）控制電路通常只有一個輸出回路，簡化了控制回路；3）單級變換器拓?fù)渲胁糠帜芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點，單級功率因數(shù)校正電路在中小功率LED驅(qū)動器中優(yōu)勢非常明顯。
5.2 單級降壓式功率因數(shù)校正的工作原理
前面提及了傳統(tǒng)降壓式BUCK結(jié)構(gòu)中功率因數(shù)過低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經(jīng)主開關(guān)管上的電流平均值調(diào)整成接近于電壓變化的相位，也就是在每個周期內(nèi)，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達(dá)到高功率因數(shù)的目的。
圖5.2所示線路是用來調(diào)整主開關(guān)電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發(fā)射極端得到一個兩倍于市電的頻率，且近似于半正弦波的變化電平，這樣再把這個電平提供給控制芯片SSL2109電流回授腳，芯片內(nèi)部再去調(diào)制主回路工作頻率，使流過主開關(guān)管的平均電流形成近似半正弦的形狀。
圖5.2：單級功率因數(shù)調(diào)整電路仿真圖
圖5.2下面曲線是仿真的結(jié)果，綠色曲線是橋堆整流后的電壓形狀，紅色曲線和藍(lán)色曲線分別是三級管Q1集電極電壓和電流的結(jié)果，可以看到，三級管基極電平完全更隨橋式整流后的電壓，由于三級管Q1是PNP型三級管，集電極輸出的電平剛好與而基射的電平相反，故在基極電平從最高幅值到零降低時，集電極輸出電壓和電流反而由最低漸漸增大至最高幅值，這樣，當(dāng)這個電平輸入到芯片電流回授腳后，就可以調(diào)整主開關(guān)管的電流大小了。
5.3 降壓式結(jié)構(gòu)中驗證單級功率因數(shù)調(diào)整電路
圖5.3-1是在傳統(tǒng)BUCK降壓式線路上增加了功率因數(shù)調(diào)整元件，所以芯片電流腳檢測到的信號是主開關(guān)管M1和流經(jīng)三級管Q1電流的疊加之和。當(dāng)整流后的電壓變化時，流過三極管Q1的電流也跟隨變化。
圖5.3.1：單級功率因數(shù)調(diào)整式實驗圖和相關(guān)測試波形
圖5.3.1右側(cè)是實驗板上測試得到的工作波形，從上到下各通道依次是：紫色是主開關(guān)管柵極的電壓波形，深藍(lán)色通道是芯片電流檢測腳的波形，綠色通道是主開關(guān)管M1源極上的電流波形，淺藍(lán)色通道是輸入電流的波形。可以看到芯片電流檢測腳原來是一個恒定的0.5參考電平，現(xiàn)在用外加的功率因數(shù)矯正電路后，主開關(guān)的平均電流波形被調(diào)整為半正弦形狀，原因就是三級管Q1集電極的輸出電平進(jìn)入芯片電流檢測腳后，主開關(guān)管上的電流會先從過零點漸漸增大至最高幅值，再逐漸被降低到零。這樣輸入電流和輸入電壓的相位基本相似，也接近于交流正弦。
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圖5.3-2是實驗得到總電流諧波測試的結(jié)果只有13%，可以看出相比原降壓和填谷式降壓都有非常大的提高，完全滿足能源之星對LED照明的功率因數(shù)要求。本實驗中選擇的電感為EFD15，感量為700mH，最低工作頻率在70KHz，功率因數(shù)0.95，工作效率達(dá)到93%以上。
圖5.3.2：單級功率因數(shù)調(diào)整式實驗結(jié)果
圖5.3.1對比原降壓結(jié)構(gòu)線路圖2.1，在LED燈開路保護(hù)上也有改進(jìn)，原圖用穩(wěn)壓管和功率額度較大的可控硅晶閘管來保護(hù)輸出電壓不至于過高引起輸出電解電容的損壞，其缺點就是，當(dāng)發(fā)生開路時，主芯片一直是在工作，沒有停止，保護(hù)用的晶閘管的溫度也會比較高，有一定安全隱患。圖10中只在電感上增加了一個繞組來感應(yīng)輸出電壓的變化，二級管D2整流新增繞組的負(fù)向電壓，當(dāng)LED燈開路時，電解電容C1兩端的電壓上升，新增加的繞組絕對電壓也會隨之升高，D2整流的負(fù)向電壓也會升高直到穩(wěn)壓管D4導(dǎo)通，從而將芯片NTC腳電平拉低到0V，主開關(guān)停止工作，芯片進(jìn)入保護(hù)模式。所以這種開路保護(hù)相比原保護(hù)要更簡單和可靠。
5.4 反激式結(jié)構(gòu)中驗證單級功率因數(shù)調(diào)整電路
當(dāng)然，單級降壓結(jié)構(gòu)中的功率因數(shù)矯正的外圍線路也可以用到隔離反激式結(jié)構(gòu)中，因為，在一部分LED照明中，隔離反激式結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求也是非常多的。圖5.4是試驗在隔離反激式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，從測試出來的結(jié)果看到，功率因數(shù)和諧波電流與在降壓式結(jié)構(gòu)中得的結(jié)果基本相同，都能做到功率因數(shù)（PF）值大于0.9和諧波電流小于20%的性能。
圖5.4：功率因數(shù)調(diào)整線路在反激結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)果
6 總結(jié)
6.1 概括對比三種功率因數(shù)校正方式的特點
前面分別對三種功率因素校正結(jié)構(gòu)做了介紹和相關(guān)實驗，可以看出各結(jié)構(gòu)都有其自身的特點，表6.1對三種功率因數(shù)校正方式做了比較說明，功率因數(shù)和諧波性能最好的是主動式功率因數(shù)矯正反激式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，但其缺點是線路復(fù)雜度和元件成本比其它兩種都要高；填谷式功率校正結(jié)構(gòu)的缺點就是功率因數(shù)不夠高，諧波性能還是不好，元件成本雖然比主動式結(jié)構(gòu)低，但還是比單極式結(jié)構(gòu)要高；單級功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)在諧波和功率因數(shù)性能上能完全滿足IEC63000-3-2的要求，其功率因數(shù)調(diào)整方式不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且外圍元件成本也最低；另一方面，在單級調(diào)整式結(jié)構(gòu)中，因為橋式整流后的濾波電容容量很小，一般100~200nF左右，所以，輸出電流的低頻紋波會比前面兩種結(jié)構(gòu)都要大一些，不過可以通過加大輸出端電容容量來解決這個問題。
表6.1：三種功率因數(shù)校正方式性能對比結(jié)果
6.2 結(jié)論
本文就LED照明驅(qū)動器的設(shè)計做了相關(guān)探討和研究，特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數(shù)和低電流諧波性能，經(jīng)過理論分析和實際實驗論證，證明出在傳統(tǒng)降壓式結(jié)構(gòu)上改進(jìn)出的單級功率因數(shù)調(diào)整式結(jié)構(gòu)是可以完全達(dá)到高功率因數(shù)和低諧波的性能，也能容易地應(yīng)用于LED照明驅(qū)動器的實際設(shè)計。
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