高效單級(jí)變換式LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

劉毅清

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門361000）

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風(fēng)能、太陽能、生物能源等成為熱點(diǎn)。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等不確定因素，所以各國政府都在積極發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產(chǎn)品的應(yīng)用研究，倡導(dǎo)產(chǎn)品降低能耗、提高效率、促進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等工作?；贚ED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅(qū)動(dòng)電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為LED光電照明產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

中國的國家推薦性標(biāo)準(zhǔn) GB／T24825－2009“LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求”中規(guī)定：達(dá)到能效1級(jí)的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應(yīng)不小于88%（P＞25 W）；電源產(chǎn)品電磁干擾（EMI）性能應(yīng)符合國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB17625.1－2003／IEC61000－3－2：2001“電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值”和GB17743－2007“電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法”的相關(guān)要求。美國能源之星照明燈具規(guī)范（ENERGY STAR?Program Requirements Product Specification for Lu minaires）中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9。

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的性能直接關(guān)系到LED光源的性能。在全球提倡“節(jié)能減排”和“綠色電子”的大背景下，如何設(shè)計(jì)一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動(dòng)電源是當(dāng)今廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正（PFC）電路，臨界模式（boundary mode）的AC／DC單級(jí)反激式的電源供應(yīng)器拓?fù)?，通過正確設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可在兼顧電源品質(zhì)與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

1 單級(jí)AC／DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

AC／DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1。工作原理：開關(guān)管MOS驅(qū)動(dòng)著反激式儲(chǔ)能隔離變壓器T，MOS導(dǎo)通時(shí)變壓器T儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)變壓器T次級(jí)繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC／DC反激式變換器原理圖

電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電路拓?fù)鋱D

圖2 中：Lm為變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感，Lr為漏電感，初級(jí)電感LP＝Lm＋Lr，次級(jí)電感為LS。

1.1 SPWM調(diào)制原理

如圖2所示，市電經(jīng)全波整流，按市電半個(gè)周期波形圖分析，則正弦調(diào)制原理分析如圖3：IQ為MOS管在某一時(shí)刻的導(dǎo)通電流，IQ（sin）＿PK是 MOS的峰值電流，ID為次級(jí)二極管在 MOS管關(guān)閉時(shí)刻的續(xù)流，ID（sin）＿PK是二極管的峰值電流。

在調(diào)制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導(dǎo)通下一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖工作方式，以保障每個(gè)開關(guān)周期里T＝TON＋TOFF。

如調(diào)制圖3，設(shè)市電輸入正弦波電壓：

圖3 SPWM調(diào)制圖

把市電輸入電壓離散化，則設(shè)第N個(gè)點(diǎn)時(shí)，圖中△ABE所示，MOS導(dǎo)通，電壓與電感勵(lì)磁電流的關(guān)系如下：

若N足夠大時(shí)，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為常數(shù)：TON＿N＝ 常數(shù)（const），則上述 MOS導(dǎo)通電流各點(diǎn)峰值IQ（sin）＿pk組成的包絡(luò)就形成了正弦規(guī)律。

次級(jí)二極管瞬時(shí)峰值電流為ID（t），根據(jù)勵(lì)磁電流引起的磁通不能突變原則可知：ID（t）＝n IQ（t）＝nIQ（sin）＿pksinωt，且等式LP＝n2LS成立，其中參數(shù)n為變壓器的初、次級(jí)匝數(shù)比。

根據(jù)變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級(jí)伏秒規(guī)則如下：

式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向?qū)▔航怠?/p>

且根據(jù)：T＝TON＋TOFF

設(shè)在第 N 點(diǎn)對IQ（sin）＿pk＿N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

在時(shí)間為連續(xù)時(shí)可等效為連續(xù)輸入電流：

則市電輸入電流：IIn（t）＝IQ（sin）＿AV（t）

由上幾個(gè)等式可得到：

設(shè)：UR＝n（Uo＋UF）并定義：UR為反射電壓。

則可得輸入電流的表達(dá)式：

由輸入電流表達(dá)式可見：在開關(guān)管按恒定導(dǎo)通時(shí)，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關(guān)，即T HDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數(shù)比n（這里n＝N1／N2）等。

根據(jù)上述表達(dá)式把輸入電流正弦波特性與Rvr關(guān)系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數(shù)值越小時(shí)，輸入電流就越正弦，失真度就越小；反之則正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

1.2 高功率因數(shù)輸入的器件優(yōu)化選擇原則

設(shè)定輸入電壓為純凈正弦波，輸入功率因數(shù)和諧波電流關(guān)系如下式：

式中，θ為基波電壓與基波電流的相角差；這里可設(shè)cosθ＝1。把以上關(guān)系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和T HDI值繪圖，如圖5、圖6所示，由關(guān)系圖可知：Rvr值越小對功率因數(shù)和諧波電流越好，但是從系統(tǒng)性價(jià)比來看，Rvr并非越小越好；這是因?yàn)椋河呻娏鞅磉_(dá)式可知，Rvr小就意味著反射電壓UR高，匝數(shù)比N要求也大，也就是說MOS關(guān)斷所承受的反峰電壓就高，而相對于二極管D反向電壓值要求反而小，反之若Rvr值過大，則PF值和THDI值差，但是對 MOS電壓要求低而二極管耐壓則相對要求高，過度要求Rvr值對系統(tǒng)安全和器件優(yōu)化選擇是不利的，要從優(yōu)化系統(tǒng)性能與成本的角度出發(fā)去選擇N值。

允許MOS關(guān)斷電壓、二極管反向電壓、匝數(shù)比N三者之間存在直接關(guān)聯(lián)，圖7是一個(gè)設(shè)計(jì)案例中得到的三者關(guān)聯(lián)仿真圖（設(shè)計(jì)交流輸入最大265 V，直流輸出50 V）。如圖7所示：按照器件的最佳性價(jià)比，推薦器件的選擇區(qū)域和變壓器的匝數(shù)比為圖中陰影部分是比較理想的。

圖5 功率因數(shù)仿真曲線圖

圖6 諧波失真度仿真曲線圖

圖7 功率器件參數(shù)選擇圖

2 單級(jí)AC／DC主要參數(shù)設(shè)計(jì)

在單級(jí)AC／DC的設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)能電感、變壓器規(guī)格、氣隙長度等參數(shù)的選擇直接影響驅(qū)動(dòng)電源的性能參數(shù)，本文通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)判斷相結(jié)合，得出合適的參數(shù)。

（1）儲(chǔ)能電感值LP確定

最低頻率取50 k Hz，最大導(dǎo)通時(shí)間取10μs。

（2）變壓器參數(shù)規(guī)格

DC／DC單級(jí)反激式變壓器的功率容量乘積表達(dá)式：

式中，P為輸入功率，單位W；f為工作頻率，單位Hz；△B為工作磁通密度，單位GS；Km為窗口填充系數(shù)；δ為電流密度，單位A／c m2；△T為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，單位s。

理論計(jì)算得出來的AP值還要增加相應(yīng)余量才能作為正確的取值，此時(shí)經(jīng)驗(yàn)判斷在應(yīng)用中比較重要，由于磁材廠家在這方面有非常好的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，選取變壓器只要在設(shè)計(jì)時(shí)確定電路參數(shù)如頻率、功率等，就可以方便快速地從變壓器廠家的規(guī)格推薦表中選取所需的型號(hào)。

本設(shè)計(jì)：輸出功率75 W，最低頻率65 k Hz，根據(jù)TDK規(guī)格書，選取PQ3230。

（3）氣隙的確定

根據(jù)如下儲(chǔ)能公式確定氣隙長度Lg。

式中，Ae為170 mm2，Bm取1 950 GS，則計(jì)算出Lg為0.35 mm，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有10%的誤差，可以實(shí)際修正。

（4）由氣隙確定變壓器的AL值

由于磁芯規(guī)格和氣隙已確定，可以通過給磁芯繞一定的匝數(shù)來確定AL值。

（5）初級(jí)匝數(shù)n

根據(jù)：Lm＝ALn2

本設(shè)計(jì)：取55匝。

（6）根據(jù)允許的紋波電壓，確定輸出濾波電容

本設(shè)計(jì)：取3 000μF／100 V。

（7）匝數(shù)比N取值

由上面的仿真圖和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兼顧功率器件特別是系統(tǒng)特性指標(biāo)的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)案例Rvr可以取值2，根據(jù)反射電壓公式得出N值為2，Rvr確定后，查曲線可得PF值大約為0.95，T HDI≤20% 左右，這對于小功率的直流供應(yīng)器來說是很好的指標(biāo)，優(yōu)于目前國內(nèi)外各種標(biāo)準(zhǔn)要求。

（8）功率開關(guān)器件MOS與二極管的確定

當(dāng)N值、漏感確定、輸出電壓確定后，反射電壓、漏抗引起的反峰電壓就能確定，則確定MOS、二極管等耐壓值就很容易算出；根據(jù)功率規(guī)格，計(jì)算出電流大小，則確定MOS、二極管電流值就很容易算出。

本例：MOS電壓要求等于輸入市電峰值電壓＋反射電壓＋漏感引起的反向電壓，則?。?1 A，800 V，型號(hào)：SDA11 NS0C3二極管 Diode?。?0 A，200 V，型號(hào)：MBR20200CTG。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照以上的參數(shù)設(shè)計(jì)，本文提出的LED驅(qū)動(dòng)電源通過小批量試驗(yàn)和批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好。典型試驗(yàn)波形如圖8、圖9所示，T HDI＝16.9%，實(shí)測PF＝0.967，由于采用BCM模式，出現(xiàn)了電流紋波，但對電源綜合性能影響不大。產(chǎn)品經(jīng)國家LED質(zhì)檢中心檢驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，電源效率大于90%，達(dá)到能效1級(jí)；功率因數(shù)大于0.95，符合能源之星規(guī)范限值要求；諧波電流符合國 家 強(qiáng) 制 性 標(biāo) 準(zhǔn) GB17625.1－2003／IEC61000－3－2：2001限值要求；傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾符合國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB17743－2007限值要求。

圖8 輸入電流的諧波含量

圖9 市電（全橋整流后）與輸入電流

4 結(jié) 論

高性價(jià)比、高效率LED技術(shù)的日新月異，LED照明也得以快速發(fā)展；相應(yīng)的照明工程需要兼顧系統(tǒng)能效、功率因素、諧波電流等多種因素，這就要求其選擇合適的LED驅(qū)動(dòng)電源解決方案。為此，本文提出采用臨界模式（boundary mode）的AC／DC單級(jí)反激式的電源拓?fù)?，通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)分析確定合理的變換參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)還具有主開關(guān)MOS管實(shí)現(xiàn)低電壓零電流導(dǎo)通，整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷并避開其負(fù)面的反向恢復(fù)特性，可以顯著提高其工作效率、降低損耗和減小系統(tǒng)電磁干擾。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和批量生產(chǎn)證明本方案設(shè)計(jì)合理、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染，適合批量生產(chǎn)，對于LED照明驅(qū)動(dòng)電源、其它電源供應(yīng)器廠家和電源設(shè)計(jì)者具有很好的參考價(jià)值。

［1］ FAIRCHILD.A High Power Factor Flyback with Constant Current Output for LED Lighting Applications［Z］.美國仙童公司技術(shù)手冊，2010.

［2］ 謝沐田.高低頻變壓器設(shè)計(jì)［Z］.臺(tái)灣全華科技圖書股份有限公司，2002.

［3］ 陳一逢.高性能軟開關(guān)功率因數(shù)較正電路的設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004，59（1）：35－37.