LED燈高功率因數(shù)驅(qū)動器的設(shè)計方案

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，補貼滿足其標準的照明產(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)動方案變得尤為重要。

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)保的層面上都遠遠優(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7W LED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，譬如歐洲能源標準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右側(cè)上的曲線所示。

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，當達到參考值后，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，會進一步提高諧波性能。仿真圖看到每個正負周期內(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。

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)上采用兩極拓撲來實現(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，如目前常采用準諧振斷續(xù)式控制，準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。