兩級式高功率因數(shù)LED照明驅(qū)動電源的研究

武杰，王春芳，劉茂盛

(青島大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東青島266071)

兩級式高功率因數(shù)LED照明驅(qū)動電源的研究

武杰，王春芳，劉茂盛

(青島大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東青島266071)

針對目前市場上LED照明驅(qū)動電源功率因數(shù)低、電流諧波大的問題，介紹了一種改進(jìn)的兩級式高功率因數(shù)LED照明驅(qū)動電源拓?fù)?。該電源的前級采用Boost拓?fù)錁?gòu)成功率因數(shù)校正級，后級采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)錁?gòu)成DC/DC功率變換級，兩級電路共用一個控制電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)。分析了實現(xiàn)功率因數(shù)校正的控制原理，給出了主要的設(shè)計參數(shù)。制作一個額定功率為12W的實驗樣機，進(jìn)行功率因數(shù)校正、恒流穩(wěn)壓輸出等實驗，實驗結(jié)果證明了該設(shè)計方案及控制方法的可行性與有效性。

LED驅(qū)動電源;兩級式;功率因數(shù)校正;反激電路

1 引言

傳統(tǒng)LED燈驅(qū)動電源的功率因數(shù)(Power Factor，PF)在0.5～0.65左右，其輸入電流具有高次諧波分量［1，2］，如果LED燈普及到千家萬戶，其共同作用時會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染。為此，科研人員在提高LED燈驅(qū)動電源的功率因數(shù)上進(jìn)行了大量的研究，最新的研究成果主要集中在帶有源功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)的兩級式或單級式電源拓?fù)浞矫妗?/p>

兩級式PFC驅(qū)動電源具備最好的功率因數(shù)和諧波抑制效果，并且由于PFC級獨立，可對DC/DC級的直流輸入電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，輸出電壓精準(zhǔn)，帶負(fù)載能力強［3-5］。但是PFC級需單獨使用一個開關(guān)管及一套控制電路，元器件多、成本高、損耗較大，因而制約了其在低功率場合的應(yīng)用［6，7］。

單級式PFC驅(qū)動電源將PFC與DC/DC功能合并成一級，器件少、成本低、效率高，在LED照明領(lǐng)域得到了大量研究與應(yīng)用［6-10］。但是單級PFC驅(qū)動電源具有以下一些缺點:如一次側(cè)需去掉電解電容，二次側(cè)需加上數(shù)十倍的大電解電容，否則紋波和兩倍工頻閃爍難以避免［6，11］;存在工頻閃爍，特別是在小角度切相輸出的時候;輸入電流尖峰較大［11］。

針對兩級式和單級式PFC驅(qū)動電源的優(yōu)缺點，本文介紹了一款新型兩級式PFC驅(qū)動電源。該電源采用一個控制芯片iW3614統(tǒng)一控制PFC級和DC/DC級，兩級電路共用一個控制電路，既具有傳統(tǒng)兩級式拓?fù)涞木珳?zhǔn)調(diào)節(jié)效果，又簡化了電路，減小了體積，實現(xiàn)功率因數(shù)校正與諧波抑制功能的同時，達(dá)到恒流輸出的效果。

2 傳統(tǒng)兩級和單級LED驅(qū)動電源

常用的傳統(tǒng)兩級PFC驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，其前級采用Boost拓?fù)錁?gòu)成PFC電路，后級采用反激變換器拓?fù)錁?gòu)成DC/DC功率變換電路。該電源能實現(xiàn)高功率因數(shù)，且達(dá)到電氣隔離的作用，但是需用兩個芯片分別控制前后兩級的開關(guān)管，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低，效率難以大幅提高，較難實現(xiàn)小型化封裝。

常用的單級PFC驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)如圖2所示，該電源由一片集成芯片控制，同時實現(xiàn)功率因數(shù)校正和恒流穩(wěn)壓輸出。但這種電源存在一個突出的缺點，即二次側(cè)存在較大的兩倍于工頻電流的紋波及閃爍，需要在二次側(cè)施加較大的電解電容來解決，從而限制了其推廣應(yīng)用。目前，科研人員正在就去掉電解電容和無頻閃方面進(jìn)行研究［7，12］。

圖1 傳統(tǒng)兩級式LED驅(qū)動電源Fig.1 Conventional two-stage LED power supply

圖2 單級式LED驅(qū)動電源Fig.2 Single-stage LED power supply

3 改進(jìn)的兩級式驅(qū)動電源

圖3所示為本文介紹的改進(jìn)后兩級式PFC驅(qū)動電源，其中由L1、Q2、R2、R3、D2、C1等構(gòu)成Boost前級PFC電路;由T1、Q1、D3、C5等構(gòu)成準(zhǔn)諧振反激式后級DC/DC功率變換電路?？刂菩酒琲W3614的OUTPUT、OUTPUT_TR管腳分別為Q1、Q2提供驅(qū)動信號［13］。

驅(qū)動電源啟動過程完成后，Boost電路進(jìn)入功率因數(shù)校正模式。通過iW3614的VIN管腳檢測輸入端整流后的線電壓Vin，并將VIN管腳內(nèi)部電阻Rvin的分壓Vin_a作為芯片內(nèi)部邏輯控制單元的一個輸入，如圖4所示。

首先將Vin_a與芯片內(nèi)部閾值電壓0.14V作比較，當(dāng)Vin_a＞0.14V時，芯片內(nèi)部產(chǎn)生Vcross脈沖，并由Vcross脈沖的頻率跟蹤Vin的頻率，如圖5所示。在Vcross信號為高電平時，即tcross時間內(nèi)，根據(jù)iW3614內(nèi)部控制單元的定義，分別按照式(1)與式(2)調(diào)整開關(guān)管Q2的導(dǎo)通時間Ton與周期T，并由此控制流經(jīng)電感L1的平均電流與輸入電壓同相位，使電路具有高的功率因數(shù)。

圖3 改進(jìn)的兩級式LED驅(qū)動電源Fig.3 Improved two-stage LED power supply

圖4 整流輸入電壓Vin檢測示意圖Fig.4 Schematic diagram of input rectified voltage sensing

圖5 功率因數(shù)校正相關(guān)波形Fig.5 Waveforms of power factor correction

另外，根據(jù)式(1)與式(2)可知，R1的選擇將影響Q2的導(dǎo)通時間與周期，從而影響功率因數(shù)校正的效果。iW3614設(shè)定VIN管腳內(nèi)阻Rvin的分壓系數(shù)Kvin為0.0043，即:

假定VIN管腳內(nèi)阻Rvin為2.5kΩ，則R1應(yīng)取為:

設(shè)計中取為一個270kΩ與一個300kΩ的電阻相串聯(lián)。

DC/DC功率變換級采用初級側(cè)反饋技術(shù)，通過iW3614的Vsense管腳檢測輔助繞組的電壓，Isense管腳逐周期檢測原邊電流峰值，當(dāng)輸出電壓或電流出現(xiàn)偏差時，改變開關(guān)管Q1的驅(qū)動信號，實現(xiàn)恒流穩(wěn)壓輸出。

4 實驗結(jié)果

設(shè)計了一臺額定功率12W的LED驅(qū)動電源樣機，主要設(shè)計參數(shù)如下:輸入電壓為180～264VAC/ 50Hz;輸出電壓為20～30VDC，輸出電流為350mA;變壓器原副邊匝數(shù)比為3.5，原邊電感為3.6mH; Boost電感為3.3mH，Boost濾波電容6.8μF/450V，DC/DC輸出濾波電容為100μF/50V;DC/DC功率變換級的開關(guān)管采用FTU04N60，Boost功率因數(shù)校正級的開關(guān)管采用FTU02N60;控制芯片選用iW3614。

在實驗過程中用9個串聯(lián)的350mA/1W白光LED燈珠作為驅(qū)動電源的負(fù)載。當(dāng)輸入電壓為220VAC時，輸入電壓和輸入電流的波形如圖6所示，從圖6中可以看出，輸入電流為正弦波，且與輸入電壓基本同相位，較好地跟隨了輸入電壓的變化，從而提高了功率因數(shù)。

功率因數(shù)的實測值如圖7所示。從圖7中可以看出，在整個輸入電壓范圍內(nèi)(180～264VAC)，功率因數(shù)都在0.96以上，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖6 輸入電壓與輸入電流實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of input voltage and current

圖7功率因數(shù)隨輸入電壓變化曲線Fig.7 Curve of power factor and input voltage

圖8為電源的輸出電流波形。從圖8中可見輸出電流基本穩(wěn)定在371mA，電流紋波為20mA，實現(xiàn)了恒流輸出，且精度較高。從圖8中也可以看出該電源的輸出電流中存在66kHz的開關(guān)噪聲。

圖8 輸出電流波形圖Fig.8 Waveforms of output current

5 結(jié)論

本文介紹了一種改進(jìn)的兩級式高功率因數(shù)LED照明驅(qū)動電源拓?fù)洌撏負(fù)涞腜FC級和DC/DC功率變換級共用一個控制電路，大大簡化了電路結(jié)構(gòu)。制作了電源樣機，通過功率因數(shù)校正和恒流穩(wěn)壓輸出實驗，表明其具有較高的功率因數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流穩(wěn)壓控制，并且電源的體積也較小，便于封裝，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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Research on two-stage LED power supply w ith high power factor

WU Jie，WANG Chun-fang，LIU Mao-sheng
(School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China)

In order to solve the disadvantages of the present LED power supply，such as low power factor and large harmonic current，a novel LED power supply with two-stage power factor correction was introduced in this paper.The first PFC stage of the introduced power supply adopts boost topology to improve the power factor，while the second DC/DC stage adopts quasi-resonant flyback topology to provide constant-current control regulation of the output.The PFC stage and the DC/DC stage are controlled by the same controller，which simplifies the circuit structure，and achieves power-factor-correction and constant-curent driving concurrently.The operating principle ofpower factor correction was analysed in detail，meanwhile，themain design parameterswere provided.A prototype of a 12W LED power supply was implemented and tested.The experiment results show that the power factor of the power supply is higher than 0.96，and the circuit design and controlmethod are verified to be correctand effective.

LED power supply;two-stage;power factor correction;flyback circuit

TM46

A

1003-3076(2014)08-0072-05

2013-02-04

武杰(1984-)，男，山東籍，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用;王春芳(1964-)，男，山西籍，副教授，博士，從事電能變換及其先進(jìn)控制技術(shù)方面的研究。