一種帶原邊電流控制的單級LED驅(qū)動電源的設(shè)計

李 郎， 楊岳毅， 曾怡達

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，河南鄭州450005)

一種帶原邊電流控制的單級LED驅(qū)動電源的設(shè)計

李 郎1， 楊岳毅2， 曾怡達1

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，河南鄭州450005)

在輸入輸出需要隔離的LED照明應(yīng)用中，傳統(tǒng)控制環(huán)路中均用到體積較大的光耦元件傳遞副邊反饋信息，但這種控制降低了電路的響應(yīng)速度，增大了LED驅(qū)動電源的體積，降低了功率密度，同時光耦的電流傳輸比易受到外界溫度的影響。為了減小電路尺寸、降低成本以及降低溫度對驅(qū)動電源的影響，采用基于無光耦原邊控制的帶漏感能量回饋支路的Buck-Boost-Flyback單級功率因數(shù)校正(PFC)變換器作為LED的驅(qū)動電源，這樣既降低了成本，又提升了驅(qū)動電源的性能。分析了該單級PFC變換器的關(guān)鍵工作過程，并對核心元件參數(shù)值進行了具體的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，設(shè)計了輸入市電在85～265 V、50 V輸出的8 W原理樣機，通過實驗證實了分析的正確性。

LED驅(qū)動電源；漏感能量回饋；儲能電容電壓

在LED照明應(yīng)用中，驅(qū)動電源的整體性能、成本、體積等因素是設(shè)計時的重要環(huán)節(jié)，尤其是應(yīng)用于照明領(lǐng)域的驅(qū)動電源，其體積、恒流精度都必須達到很高的要求。通常在需要隔離的場合下，功率因數(shù)校正(PFC)變換器的后級通常采用反激變換器，其前級可采用常見的直直變換器，如Buck、Boost、Buck-Boost電路等[1-4]。

單級PFC變換器在控制上，傳統(tǒng)的控制回路中均使用了光耦元件，這降低了電路的響應(yīng)速度，增大了驅(qū)動電路的體積，增加了成本，同時光耦在工作時光電傳輸比易受到溫度的影響[5]。本文采用無光耦原邊控制的Buck-Boost-Flyback單級PFC變換器不僅可以恒定流過LED的電流，而且消除了傳統(tǒng)單電壓環(huán)中的光耦和副邊采樣電路等，從而降低了LED驅(qū)動電源的體積和成本，因此采用基于無光耦原邊電流控制的單級PFC變換器非常適合應(yīng)用在需要隔離的中小功率LED驅(qū)動電源中。

1 帶原邊控制的單級LED驅(qū)動電源

圖1是基于原邊控制的Buck-Boost級聯(lián)Flyback型單級高效LED驅(qū)動電源的基本原理框圖，其PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)管，因此只有一個控制變量。通常要求前級具有自動PFC功能，定開通時間的DCM Buck-Boost的電感電流的峰值為正弦包絡(luò)，可以實現(xiàn)自動PFC功能，后級Flyback用于調(diào)節(jié)負載輸出電壓、輸出電流并使之保持恒定。

由圖1可知，該驅(qū)動電源由DR、CDC、Q1、L1構(gòu)成的Buck-Boost電路充當(dāng)前級的PFC級，CDC、Q1、T1、DO、CO構(gòu)成的Flyback電路充當(dāng)后級輸出電壓、電流的調(diào)節(jié)電路。

考慮到LED是一非線性器件，負載電壓的微小誤差、波動或者擾動都會造成LED電流的劇變，這會導(dǎo)致LED光閃，應(yīng)用中通常采用恒流控制[6]。無光耦原邊PWM控制器通過對開關(guān)管的導(dǎo)通峰值電流、副邊輸出二極管的導(dǎo)通時間等的采樣檢測，通過實時控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間來恒定負載輸出電流、輸出電壓，具有控制精度高、成本低、體積小等優(yōu)點。

圖1 基于原邊控制的LED驅(qū)動電源原理框圖

2 主電路拓撲工作過程及參數(shù)設(shè)計

在對該單級變換器進行分析前，為了簡化分析過程，作如下假設(shè)：除漏電感外的所有元件都是理想元件；中間級儲能電容和輸出電容足夠大，因此直流母線電壓VDC、輸出電壓VO在一個開關(guān)周期中可認為不變；輸入端的電容C1很小，且整流后的電壓為嚴格正弦半波電壓，且在一個開關(guān)周期中，整個變換器的輸入電壓為恒定的；開關(guān)周期TS遠遠小于半個交流電壓周期TL。

一個開關(guān)周期中，該驅(qū)動電源的工作過程為：開關(guān)管Q1導(dǎo)通，整流電壓Vrec加在L1上，中間級電容電壓VDC加在變壓器原邊上，電感電流iL1、原邊電流iLp均由零線性增大到其最大值。負載僅由輸出電容供電；開關(guān)管關(guān)斷，電感電流通過CDC、DR續(xù)流，漏感電流通過DR、C1續(xù)流，變壓器副邊電流iLs開始由峰值逐漸減小，漏感電流也逐漸減小為零。當(dāng)漏感電流先減小為零后，變壓器副邊電流、電感電流iL1繼續(xù)逐漸減小，直到iL1、iLs均變?yōu)榱愫螅_關(guān)再次導(dǎo)通并進入下一個開關(guān)周期[7-8]。

由上面介紹的工作過程可得到周期平均輸入電流和中間級儲能電容的周期平均輸入電流分別為：

由式(2)可以得到直流母線電容的周期平均輸入功率的表達式(3)，并由穩(wěn)態(tài)下中間級儲能電容的直流輸出功率恒為零可以得到關(guān)于中間級電容電壓VDC與輸入市電峰值Vm的關(guān)系式(4)。

則在一個交流周期中平均輸入功率為：

一個周期的平均輸入功率應(yīng)與變換器周期平均輸出功率Po=V2o/R相等，即可得到：

由式(4)可知負載的變化對中間級儲能電容的電壓沒有影響，由式(6)可知輸出電壓直接與負載有關(guān)，因此在設(shè)計該單級PFC時需要設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂破鱽砜刂戚敵鲭妷翰⑹怪３趾愣ǖ闹绷麟妷骸?/p>

3 原邊控制的原理

在無需副邊反饋的情況下，原邊控制能使副邊輸出電壓和副邊輸出電流保持恒定。由圖1可知，原邊控制的核心反饋波形如圖2所示，Vg是開關(guān)管的驅(qū)動信號，ip是變壓器原邊電流，is是變壓器副邊的電流，vds是采樣電阻R3上的電壓波形。

圖2 原邊控制中各個關(guān)鍵波形

開關(guān)管導(dǎo)通后，中間級儲能電容電壓加在變壓器原邊上，因此原邊電流ip逐漸增大，峰值電壓采樣電阻上的電壓vcs也逐漸增大；在t1時刻，vg變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管關(guān)斷，原邊電流減為零，此時副邊二極管Do將導(dǎo)通，導(dǎo)通期間儲存在磁芯的能量開始釋放到負載，副邊電流is開始逐漸減小，輔助繞組開始導(dǎo)電，R3上的采樣電壓vds開始上升，到t2時刻原邊電流和副邊電流均為零，此時開關(guān)管仍處于關(guān)斷狀態(tài)，此后電壓vds逐漸諧振變?yōu)榱?，直到下一個開關(guān)周期。

在t1時刻，由能量守恒可推得原邊繞組安匝值應(yīng)與副邊繞組安匝值相等，可得到式(7)：

流過負載的直流電流io為：

式(1)～式(8)中，D指開關(guān)導(dǎo)通比；np、ns分別為變壓器原副邊繞組匝數(shù)；VDC為中間級儲能電容電壓；ipk_p、ipk_s分別為原邊電流峰值、副邊電流峰值。

由式(8)可知，通過實時控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間即可使輸出電流達到預(yù)定值。由實際原邊控制PWM芯片的恒流、恒壓的控制算法如式(9)所示。

式中：vf為副邊二極管的導(dǎo)通電壓；np為原邊繞組匝數(shù)；ns為副邊繞組匝數(shù)；na為輔助繞組匝數(shù)；Vref為控制芯片內(nèi)部固定參考值；Tdis為副邊電流由峰值下降為零的時間。

在確定好變壓器繞組匝數(shù)、采樣電阻等后，通過采樣得到峰值信號vcs、變壓器副邊放電時間Tdis后，計算與控制電路根據(jù)這些采樣信息，控制開關(guān)管的導(dǎo)通比使vcsTdis/Ts為一恒定值，進而負載輸出電流、輸出電壓均可調(diào)為定值。

4 實驗

根據(jù)該變換器運行原理以及參數(shù)設(shè)計步驟，搭建一臺8 W的實驗原理樣機，該實驗樣機設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

?

根據(jù)該拓撲的基本運行原理以及表 1的運行指標(biāo)、FAN100的芯片資料，本文設(shè)計的滿足上述指標(biāo)的電路參數(shù)如表2所示。

?

開關(guān)管Q1采用耐壓值為650 V的SPW47N65C3，二極管DR、D1和D2都采用MUR1560。本文用原邊控制芯片F(xiàn)AN100產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號。

通過搭建的實驗樣機，當(dāng)vac為220 V時，可測得輸入電壓uin和輸入電流iin的相位關(guān)系波形圖。由圖3可知輸入電流波形很好地跟蹤了輸入電壓波形，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

圖4為在交流220 V輸入時電路輸出電壓、輸出電流和電壓紋波，輸出電壓基本穩(wěn)定在50 V，紋波很小，電流平均值基本穩(wěn)定在160 mA。

圖5為交流220 V輸入時，中間級儲能電容CDC上的電壓和電感電流的工作波形，中間級電容電壓基本穩(wěn)定。

圖6為輸入電壓vac有效值在85～265 V變化時，實驗樣機的輸出電流和效率曲線，當(dāng)輸入電壓有效值在265 V時，效率最大值約為90%，同時在整個輸入電壓范圍內(nèi)，PF值均在0.95以上，輸出電流均穩(wěn)在160～164 mA，其恒流精度很好。

圖3 輸入電壓和輸入電流波形圖

圖4 輸出電壓、電流和電壓紋波

圖5 電容電壓VDC和電感電流iL1波形

圖6 功率因數(shù)及其效率和輸入電壓的關(guān)系

圖7為vac=220 V下50 Hz時該LED驅(qū)動電源輸入電流諧波與IEC61000-3-2 Class D標(biāo)準的比較，滿足D類諧波規(guī)范要求。

圖7 輸入電流諧波與IEC61000-3-2 Class D比較

5 結(jié)論

本文首先分析了帶漏感能量回饋支路的單級變換器在斷續(xù)模式下的工作過程以及無光耦原邊控制的優(yōu)越性，并詳細介紹在該拓撲作為LED驅(qū)動電源情況下，無光耦原邊控制的恒流、恒壓的工作原理，并采用FAN100控制芯片搭建了交流85～265 V輸入、50 V/160 mA輸出的實驗樣機。實驗證明LED的輸出基本穩(wěn)定在160～164 mA，恒流精度很好，輸出電壓紋波較小，變換器效率高。變換器在交流85～265 V輸入下功率因數(shù)達到0.95以上，且變換器的效率均高達85%以上。

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Design of single-stage LED driver power supply based on primary-side-current regulation

LI Lang1,YANG Yue-yi2,ZENG Yi-da1
(1.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;2.School of Locomotive Vehicle, Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou Henan 450005,China)

In some LED lighting applications,which needed isolation between input and output,the photo-coupler was needed to transfer the feedback signal from secondary side to primary side in the conventional control loop. The traditional control strategy decreased the response speed and the power density in cause of the large size of the photo-coupler and increased the cost of the components.Worse still,the current transfer ratio of the photo-coupler was susceptible to the environment temperature.To avoid the aforementioned problems,a primary-side-regulation strategy without the photo-coupler was studied to control the LED driver power supply, which integrated a Buck-Boost converter owning a leakage inductance energy recycling path with a flyback converter.The performance of the LED driver power supply was improved by this control strategy and the converter.The operating principle of the converter during a period was presented,as well as the crucial circuit parameters.At last,the analysis was verified by the experiment on a prototype of an 8 W driver circuit with 50 V DC output voltage,which operated at the line voltage varying between 85 V and 265 V.

LED driver power supply;leakage inductance energy recycling;voltage of bulk capacitor

TM 91

A

1002-087 X(2017)02-0289-04

2016-07-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(SWJTU2011CX0-03EM)

李郎(1990—)，男，四川省人，碩士研究生，主要研究方向為單級功率因數(shù)校正技術(shù)。