基于L6562的單級(jí)PFC反激LED電源的研究*

董 碩，陳蘇廣，張 濤，劉石神，袁士東

（上海技術(shù)物理研究所，上海200083）

基于L6562的單級(jí)PFC反激LED電源的研究*

董 碩，陳蘇廣，張 濤，劉石神，袁士東

（上海技術(shù)物理研究所，上海200083）

設(shè)計(jì)了一種基于L6562的單級(jí)PFC反激LED電源，闡述了該電源的工作原理，對(duì)相關(guān)公式進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)功率因數(shù)校正功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，并提出了提升效率的方法。最后制作了原理樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該LED驅(qū)動(dòng)電源的高效率、高功率因數(shù)的特點(diǎn)。

L6562；LED驅(qū)動(dòng)；單級(jí)PFC；高效率

LED照明是一種新型照明方式，與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈等照明方式相比，LED光源具有發(fā)光效率高、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)勢(shì)，成為目前世界上最有可能替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。LED芯片是一種低壓電流型器件，電流是影響其發(fā)光性能的主要因素，現(xiàn)有LED光源普遍采用多顆LED，通過串聯(lián)或并聯(lián)組成LED模組來進(jìn)行照明，為了達(dá)到最佳的工作性能，必須要設(shè)計(jì)合適的LED驅(qū)動(dòng)電源，使其在恒定電流的條件下工作。為了保證LED的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的LED照明產(chǎn)品和應(yīng)用要求，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使LED驅(qū)動(dòng)電源達(dá)到高效率、高可靠性、高功率因數(shù)、低成本的要求。 對(duì)于30 W～75 W的中小功率LED模組照明，通常選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試簡(jiǎn)單的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，LED驅(qū)動(dòng)電源通常要求PF值大于0.9，因此普通反激電源前端通常還要加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，不僅增加了成本，而且體積也難以小型化，效率也不高。而單級(jí)PFC反激電路，將功率因數(shù)校正與反激電路合二為一，不僅可以得到較高的功率因數(shù)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于中小功率LED模組照明。

1 工作原理分析與設(shè)計(jì)

1.1 L6562芯片簡(jiǎn)介

L6562是意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的一款功率因數(shù)校正（PFC）控制器[1]。它工作于臨界模式（即電感電流處于連續(xù)或斷續(xù)的邊界上），與傳統(tǒng)PWM變換器工作的連續(xù)電流模式或不連續(xù)電流模式不同的是，臨界模式工作在變頻模式下，在輸入電壓和電流變化的情況下通過快速調(diào)節(jié)工作頻率使輸出穩(wěn)定。L6562在其乘法器中嵌入了電流總諧波失真（THD）優(yōu)化電路，可以有效控制 AC輸入電流的交越失真和誤差放大器的輸出紋波失真，從而提高功率因數(shù)，降低輸入電流總諧波失真。該芯片主要應(yīng)用于前級(jí)PFC校正電路，本文中將其用于單級(jí)PFC反激電路。

1.2 基于L6562單級(jí)PFC反激電路設(shè)計(jì)與工作原理分析

L6562單級(jí)PFC反激電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。交流電壓經(jīng)過前級(jí)保護(hù)單元和EMI濾波單元后，由整流橋整流為正弦半波波形流入電容C1，與傳統(tǒng)反激電路不同的是，電容C1選擇容量很小的薄膜電容，使得電容兩端電壓近似為正弦半波變化，電容C1電壓可近似表示為：

其中 θ=ωt。

該正弦半波電壓通過電阻R1、R2分壓后進(jìn)入L6562的MULT腳，該電壓與COMP腳電壓信號(hào)經(jīng)過L6562內(nèi)部乘法器處理后，為比較器提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)Vref，該基準(zhǔn)電壓波形也近似為正弦半波，可表示為：

電路工作變化情況如圖2 所示[2]。在 t0～t1時(shí)刻，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，變壓器初級(jí)繞組Np中電流i1線性上升，芯片L6562的CS引腳檢測(cè)Rs兩端電壓。當(dāng)Rs兩端電壓Vs上升到Vs=Vref時(shí)， 芯片L6562的GD引腳發(fā)出低電平信號(hào)，使開關(guān)管Q1關(guān)斷，此時(shí) Rs兩端電壓 Vs=i1pRs，i1p為此周期中變壓器初級(jí)繞組的電流峰值，則[3]：

其中，L1為變壓器初級(jí)電感，Vp為電容C1的峰值電壓。

在t1～t2時(shí)刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，變壓器中的能量由初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)繞組，初級(jí)繞組中電流變?yōu)?。由于變壓器中漏感的作用，在開關(guān)管Q1關(guān)斷瞬間，初級(jí)繞組上會(huì)出現(xiàn)很高的電壓尖峰，必須使用吸收電路，否則可能會(huì)擊穿MOS管。

在 t2～t3時(shí)刻，當(dāng)次級(jí)繞組上電流降為 0時(shí)，初級(jí)線圈上的漏感及開關(guān)管Q1的極間電容開始諧振，輔助繞組Nb上的電壓開始下降，當(dāng)L6562的ZCD引腳檢測(cè)到變壓器輔助繞組Nb上電壓低于ZCD閾值1.4 V時(shí)，脈沖發(fā)生器發(fā)出高電平，使 Q1導(dǎo)通，則 Q1關(guān)斷時(shí)間為：

其中n為變壓器初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的匝數(shù)比，Vf為輸出整流二極管D1的前向電壓，Vo為L(zhǎng)ED模組兩端電壓。令：

則占空比為：

變壓器次級(jí)電感的平均電流：

其中i2p(θ)為每個(gè)周期中次級(jí)電感的電流峰值。

由式(7)可知變壓器次級(jí)繞組上的平均電流也是變化的，該電流經(jīng)過輸出電容濾波后即為輸出電流。因此輸出電流有較大的紋波，需采用大容量濾波電容進(jìn)行濾波。

采樣電阻R5上的電壓通過隔離反饋后進(jìn)入L6562的INV引腳進(jìn)行比較，改變COMP腳的電壓，使Vref的值也產(chǎn)生變化，使導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生改變，從而改變變壓器次級(jí)中的電流，以達(dá)到輸出恒流的目的。

2 功率因數(shù)及效率分析

2.1 功率因數(shù)分析

由1.2節(jié)中分析可知，每次開關(guān)變化中，變壓器初級(jí)電流峰值為 i1p=I1p|sinθ|，則次級(jí)電流峰值為 i2p=nI1p|sinθ|。圖3所示為變壓器中初級(jí)電流峰值和次級(jí)電流峰值的包絡(luò)與開關(guān)時(shí)間的關(guān)系。由圖3可以看出，雖然變壓器中初級(jí)電流和次級(jí)電流均為三角波變化，但是其峰值電流包絡(luò)波形接近為正弦波。整流橋以后的電流Iin(θ)是整個(gè)開關(guān)周期每個(gè)三角波的平均值，則其大小為：

當(dāng)反饋信號(hào)變化時(shí)，Vref會(huì)發(fā)生變化，由式(3)知，i1p也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此變壓器初級(jí)電流峰值包絡(luò)并不是完全按照正弦波形變化，會(huì)使平均電流偏離正弦波，使功率因數(shù)下降。為了提高功率因數(shù)，可調(diào)整反饋電路中的補(bǔ)償電路，降低反饋電路的帶寬，使反饋信號(hào)緩慢變化，從而減少反饋信號(hào)對(duì)初級(jí)平均電流的影響。但是降低反饋電路的帶寬會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此本電路僅適用于負(fù)載穩(wěn)定、對(duì)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 電源效率分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

反激電源的損耗在于變壓器損耗、開關(guān)MOS管損耗以及輸出整流二極管損耗，因此主要通過降低此三處損耗來提高效率。

2.2.1 變壓器損耗

變壓器損耗主要包括銅損、鐵損以及漏感損耗。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，為了使效率高，損耗最小，可選擇材料更好的磁芯和合適的匝數(shù)比，使銅損與鐵損相等，原邊與副邊損耗相等。

漏感是指未能耦合到二次側(cè)的一次電感部分，它不參與有效能量從輸入到輸出的傳遞，而以開關(guān)關(guān)斷瞬間的高電壓尖峰的形式表現(xiàn)出來[4]。漏感不僅會(huì)影響效率，而且如果不能盡量吸收漏感能量，形成的尖峰很容易導(dǎo)致開關(guān)管損壞。為了減少漏感，可采用“三明治”繞法，即將初級(jí)線圈分為兩組，初級(jí)1和初級(jí)2，然后按照初級(jí)1-次級(jí)-初級(jí)2的順序繞制變壓器，增加初級(jí)與次級(jí)的耦合，從而減小漏感。為了防止漏感尖峰擊穿MOS管，可如圖1所示，在初級(jí)線圈兩端加入由TVS二極管和快恢復(fù)二極管組成的鉗位電路，對(duì)漏感尖峰進(jìn)行吸收。

2.2.2 開關(guān)MOS管損耗

開關(guān)MOS管損耗主要包括導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是指開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，MOS管上損耗的功率，其值可表示為：

其中，Irms為開關(guān)MOS管導(dǎo)通時(shí)流過電流的有效值。可通過使用導(dǎo)通電阻Rds(on)更小的MOS管來減少損耗。開關(guān)損耗是指，在開關(guān)過程中，開關(guān)管電壓Vds和電流Ids發(fā)生變化，從“開”到“關(guān)”或從“關(guān)”到“開”有一個(gè)過渡過程，這期間電壓Vds和電流Ids存在一個(gè)交疊過程，產(chǎn)生較大的損耗即為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗占MOS管損耗的很大一部分。

在本電路中，如圖2所示，在開關(guān)MOS管導(dǎo)通之前，由于次級(jí)電流已降為0，初級(jí)繞組上的電壓由于漏感及MOS管上的寄生電容存在而產(chǎn)生振蕩，電壓開始時(shí)刻已經(jīng)開始下降，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電壓值已經(jīng)很小，近似于零電壓，因而大大減少了導(dǎo)通損耗，從而提高了效率。

2.2.3 次級(jí)整流二級(jí)管損耗

次級(jí)整流二極管上的損耗可表示為PD=VDIave，其中VD為次級(jí)整流二極管導(dǎo)通時(shí)的前向壓降，Iave為流過次級(jí)整流二極管的平均電流。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗?？刹捎们跋螂妷焊〉男ぬ鼗O管或者同步整流的方式來減少損耗。由于同步整流成本較高，且電路復(fù)雜，在輸出電流較小時(shí)效率提升不大，因此本電路采用肖特基二極管作為次級(jí)整流二極管。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，制得實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)，樣機(jī)基本設(shè)計(jì)條件如下：輸入電壓范圍160 V～250 V，輸出電流2.1 A，輸出電壓范圍 25 V～40 V，最小工作頻率 100 kHz，測(cè)試負(fù)載為60顆大功率LED組成的6并10串LED陣列（單顆LED工作時(shí)前向電壓約為3.2 V）。

圖4(a)所示為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的開關(guān)MOS管漏極和源極兩端電壓波形，放大倍數(shù)為500。圖4(b)為開關(guān)管下端檢測(cè)電阻Rs兩端電壓波形，間接反映出流過開關(guān)MOS管的電流波形。從圖中可以看出，開關(guān)MOS管上的電壓與電流峰值包絡(luò)均近似為正弦半波變化，可推測(cè)出本電路具有較高的PF值。

圖5為220 V輸入電壓下輸入電壓和輸入電流波形。從中可以看出，輸入電壓和輸入電流波形均近似為正弦波形，且相位基本一致，故PF值較高，實(shí)際測(cè)得PF值為 0.97。

表1顯示了在不同輸入電壓條件下的PF值。從表中可以看出，該電源在160 V～250 V輸入電壓范圍內(nèi)均具有較高的PF值，且輸入電壓越低，PF值越高。由式(8)分析可知，輸入電壓越低，Iin(θ)越接近正弦波，因此PF值也越高。

圖6為開關(guān)MOS管漏源兩端電壓最高處波形。從圖中可以看出，在開關(guān)關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰，由于TVS管的吸收鉗位作用，將峰值電壓鉗位在700 V左右，設(shè)計(jì)中開關(guān)MOS管最高承受的電壓為 800 V，留有足夠裕量。在電壓下降過程中存在一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)后電壓迅速下降，該拐點(diǎn)即為MOS管導(dǎo)通時(shí)刻。由于在開關(guān)MOS管導(dǎo)通前，開關(guān)MOS管漏源兩端電壓已經(jīng)開始下降，因此降低了開關(guān)損耗，可以有效提高電源效率。實(shí)際測(cè)得在220 V輸入電壓條件下，電源效率為90.7%。

表1 不同輸入電壓下電源的PF值

圖7即為在不同輸入條件下，電源效率的變化情況。從圖中可以看出，輸入電壓在160 V～250 V電壓范圍內(nèi)變化時(shí)，電源效率基本穩(wěn)定在90%左右，在寬范圍輸入電壓的條件下顯示出良好的性能。出于對(duì)成本及電路復(fù)雜度方面的考慮，本電源后級(jí)整流沒有采用同步整流的方式。若在輸出大電流的條件下，采用效率更高的同步整流方式，更換性能更佳的開關(guān)MOS管，則電源效率還將進(jìn)一步提升。

本文介紹了基于L6562的單級(jí)PFC反激電路的LED驅(qū)動(dòng)電源原理，并對(duì)其功率因數(shù)與效率進(jìn)行了理論分析。該驅(qū)動(dòng)電源將傳統(tǒng)兩級(jí)電源中的前級(jí)PFC校正電路與后級(jí)DC-DC電路合二為一，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過同時(shí)采樣輸入電壓和輸出電壓的信號(hào)，使開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓波形變化而改變，從而使電源輸入的電流跟隨輸入電壓波形變化，以獲得高的PF值。此電路工作于臨界導(dǎo)通模式，在開關(guān)MOS管在導(dǎo)通之前，開關(guān)MOS管兩端電壓已開始下降，減少了開關(guān)MOS管的開關(guān)損耗，從而有效提高電源效率。通過制作樣機(jī)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了此種LED驅(qū)動(dòng)電源在較寬的電壓范圍內(nèi)，具有較高的功率因數(shù)和效率。

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Study of the flyback LED driver with single-stage PFC based on L6562

Dong Shuo，Chen Suguang，Zhang Tao，Liu Shishen，Yuan Shidong
(Shanghai Institute of Technical Physics,Shanghai 200083，China)

A LED power supply with single stage PFC based on L6562 is designed in the paper.The principle of the LED power supply is expatiated,the function of revise power factor is analyzed,and effective methods of upgrade the efficiency are proposed in this paper.At last,a sample of LED power supply is designed and some experiments are taken to validate the high PFC and high efficiency of the LED power supply.

L6562；LED driver；single stage PFC；high efficiency

TM46；TN86

A

0258-7998(2012)03-0063-04

上海市科委科研項(xiàng)目（10dz1140600）

2011-10-13)

董碩，男，1987年生，博士，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。