原邊控制反激式LED驅(qū)動(dòng)電源的研究

黃登科，劉拓夫，王正仕

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引 言

LED以其環(huán)保、節(jié)能、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)被人們譽(yù)為新一代的通用照明光源，正不斷取代傳統(tǒng)光源進(jìn)入人們的生活。由于LED需要恒流源供電，市電需要經(jīng)過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換成低壓恒流源供LED使用。但是受限于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源體積大、成本高、反饋復(fù)雜且光耦特性受溫度影響嚴(yán)重等缺點(diǎn)，反激電路在小功率LED應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的局限性［1］。近年來(lái)，各大芯片廠商陸續(xù)推出用于LED驅(qū)動(dòng)的反激拓?fù)涞脑吙刂?PSR)芯片，省去了變壓器副邊用于反饋的光耦和比較器模塊，體積縮小，成本降低，從而使得反激電路在LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍大大增加。與此同時(shí)，人們也在研究更簡(jiǎn)潔、可靠性更高的原邊控制方案，目前已有學(xué)者提出比較可靠的輸出電流控制方案［2-4］和副邊二極管導(dǎo)通時(shí)間精確的測(cè)量方法［5］，新一代原邊控制芯片不僅輸出電流準(zhǔn)確，而且集成了功率因數(shù)校正(PFC)功能，使小功率驅(qū)動(dòng)電源的性能達(dá)到了新的高度。

本研究將從副邊反饋的反激電路工作原理入手，用類比和等效替代的方法探討原邊控制反激電路的PFC工作原理和恒流機(jī)制，并推導(dǎo)普遍適用的恒流公式;通過(guò)制作一臺(tái)樣機(jī)和副邊反饋電路進(jìn)行比較，證明原邊電路的優(yōu)越性;給出原邊反饋電路比較通用的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)步驟，為今后工程上應(yīng)用原邊反饋芯片設(shè)計(jì)電路提供參考。

1 原理介紹與推導(dǎo)

PSR芯片主要采樣3個(gè)地方的波形:母線電壓Vin(t)整流之后經(jīng)過(guò)分壓得到的電壓Vref(t)，MOS管采樣電阻Rcs上的電壓Vcs，以及輔助繞組的電壓分壓后的Vaux1。芯片主要功能框圖如圖1所示，虛線框內(nèi)為芯片的功能框圖。

圖1 芯片主要功能框圖

1.1 原邊控制電路工作原理

1.1.1 原邊控制中PFC工作原理

PFC部分與L6562類芯片的PFC原理相同。電路工作波形如圖2所示，利用正弦半波的分壓作為參考電壓，將MOS管的電流采樣后與正弦電壓波形比較，通過(guò)電流峰值控制把原邊電流Ip(t)的包絡(luò)線控制成正弦波形狀，而開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，可以通過(guò)低通濾波器濾除，使得輸入電流Iin(t)的主要成分為正弦基波，形狀接近正弦波，它的相位追隨輸入電壓的正弦波形，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)［6-9］。

1.1.2 恒流原理推導(dǎo)

副邊電流的信息主要由原邊MOS管的電流波形Ip(t)和輔助繞組電壓Vaux波形獲得。電路工作波形如圖2所示，在很小一段時(shí)間里，輸入電壓視為恒定，輸出電流為:

由:

從而可得:

式中:Np/Ns—變壓器原副邊匝比;Is_pk—副邊二極管電流峰值;Ton_s—副邊二極管導(dǎo)通時(shí)間;Ts—開(kāi)關(guān)周期;Ip_pk—原邊電流的峰值，經(jīng)采樣電阻Rcs采樣后對(duì)應(yīng)電壓Vcs_pk。

芯片可以控制Vcs_pk和每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Ton_s/Ts為一恒定值，由式(2)知:只要改變Np/Ns及采樣電阻Rcs，就能改變輸出電流。

圖2 電路工作波形

當(dāng)芯片帶有PFC功能，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)通時(shí)間固定，電路工作在變頻模式。此時(shí)，有兩種基本的控制方式:一種是逐周期控制，即在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保證Ton_s/Ts為一恒值;另外一種是關(guān)斷時(shí)間積分控制，即在整流后的正弦半波的每個(gè)周期內(nèi)，保證Ton_s/Ts的積分為一恒值。還有一種不常用的混合控制方式，即在某些時(shí)間段保持Ton_s/Ts在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)為一個(gè)定值，在其他時(shí)間段則保持Ton_s/Ts的積分為同一定值，從而保證總的Ton_s/Ts在一個(gè)正弦半波周期內(nèi)的積分為恒值?？赏茖?dǎo)出:

由式(3)可見(jiàn)，原邊控制恒流電路的輸出電流表達(dá)式可簡(jiǎn)化為A(Np/(NsRcs))，A為一常數(shù)，幾乎所有芯片公司給出的恒流公式都為這一式子的變形。

幾種常用的此類芯片的輸出電流計(jì)算公式如表1所示。

表1 不同公司的輸出電流表達(dá)式

副邊二極管導(dǎo)通時(shí)間的測(cè)量精度將影響電路的恒流效果。在理想情況下，輔助繞組的正電壓脈寬時(shí)間就是副邊二極管導(dǎo)通時(shí)間。但由于MOS管DS兩端有寄生電容，當(dāng)副邊二極管電流為零后，如果MOS管還未導(dǎo)通，該寄生電容會(huì)與變壓器勵(lì)磁電感發(fā)生振蕩，耦合到輔助繞組上，導(dǎo)致輔助繞組電壓有多個(gè)正脈沖。副邊二極管電流導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算電路如圖3所示，為了防止誤判斷，Vaux信號(hào)采樣后經(jīng)過(guò)一個(gè)比較器和一個(gè)觸發(fā)器，將比較器的輸出ZCD1作為觸發(fā)器的一個(gè)輸入，Vgs作為觸發(fā)器另一個(gè)輸入，觸發(fā)器的邏輯如圖3所示。ZCD的脈寬為副邊二極管的導(dǎo)通時(shí)間，即Ton_s。

圖3 副邊二極管電流導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算電路及觸發(fā)器邏輯

1.2 原邊控制的電路保護(hù)措施

1.2.1 電路短路保護(hù)

當(dāng)輸出過(guò)流或短路時(shí)，原邊MOS管電流增加，CS腳電壓將升高，觸發(fā)芯片內(nèi)部過(guò)流保護(hù)的閾值Vcs_max，使芯片降低工作頻率甚至停止工作［10］。

1.2.2 電路過(guò)壓與開(kāi)路保護(hù)

當(dāng)過(guò)壓或者開(kāi)路時(shí)，輸出電壓將升高，由于:

且:

可導(dǎo)出:

式中:Vaux1_max—芯片內(nèi)部決定。

通過(guò)調(diào)節(jié)R1和R2以及Ns/Naux，就能確定輸出電壓的最大值。

2 調(diào)整到準(zhǔn)諧振狀態(tài)

為了提高驅(qū)動(dòng)器效率，有的控制芯片加入了準(zhǔn)諧振控制方式，即當(dāng)副邊電流下降到零，MOS管DS之間電壓振蕩時(shí)，在電壓振蕩到最低點(diǎn)時(shí)開(kāi)通MOS管，從而將效率提高約一個(gè)百分點(diǎn)［11］。如果芯片自身不具備準(zhǔn)諧振功能，可以通過(guò)調(diào)整原邊電感量Lm的值，進(jìn)而改變Lm與MOS管的寄生電容Cds的振蕩周期，使芯片正好在振蕩的最低點(diǎn)導(dǎo)通［12］。DS波形如圖4所示。

圖4 電路主要工作波形

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)輸入85 V～265 V，輸出18 W、480 mA的LED日光燈驅(qū)動(dòng)，該機(jī)采用BP3309芯片設(shè)計(jì)。

設(shè)輸入電壓有效值85 V時(shí)，最大占空比Dmax設(shè)為0.5，副邊二極管壓降Vd設(shè)為1 V。

則:

變比為:

效率設(shè)為0.9，初級(jí)電流峰值為:

初級(jí)電感量為:

磁芯選擇EDR2809，Ae=88 m2，原副邊匝數(shù)為:

這里取原邊38匝，副邊12匝，并調(diào)整變壓器原邊電感量為1 mH，使DS端正好處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)。電路主要工作波形如圖4所示，可以看到在副邊二極管關(guān)斷后MOS管DS兩端電壓開(kāi)始振蕩，并在振蕩的最低點(diǎn)開(kāi)通MOS管，說(shuō)明電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)。筆者同時(shí)制作了一臺(tái)18 W/480 mA的副邊反饋的恒流電路進(jìn)行比較，主控芯片采用L6562，反饋部分由PC817光耦，LM358和TL431組成。這兩個(gè)電路的恒流效果、PF值、效率的對(duì)比曲線如圖5所示。

圖5 原邊反饋和副邊反饋性能比較

由圖5可以看出，原邊反饋電路的恒流效果比副邊反饋差，但是電壓調(diào)整率在3%以內(nèi)，是可以接受的范圍。功率因數(shù)差不多，但原邊反饋電路效率更高。兩塊電路板的BOM資料對(duì)比如表2所示。由表2可見(jiàn)，原邊反饋電路元件數(shù)目顯著減少，體積減小，從而降低了成本。

表2 PSR電路和SSR電路的BOM對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究詳細(xì)分析了帶PFC功能的原邊反饋恒流電路的工作原理，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，和傳統(tǒng)的副邊反饋電路進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所給出的設(shè)計(jì)方法具有通用性與可行性，采用原邊反饋結(jié)構(gòu)以后，電路板面積明顯縮小，元器件總數(shù)減少1/3，整機(jī)效率提高2%，其他電氣性能相當(dāng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。筆者給出了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟，在樣機(jī)上使用計(jì)算得出的參數(shù)，樣機(jī)工作正常，性能良好，證明了設(shè)計(jì)方法的可行性，可為原邊控制反激電路的工程應(yīng)用提供參考。

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