一種低輸出紋波的LED照明驅動器的設計

孫晨琨，陳 強

(1.鎮(zhèn)江市消防支隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市公安消防支隊防火監(jiān)督處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

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一種低輸出紋波的LED照明驅動器的設計

孫晨琨1，陳 強2

(1.鎮(zhèn)江市消防支隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市公安消防支隊防火監(jiān)督處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

LED照明驅動器前級一般都需要進行功率因數(shù)校正(PFC)，目前常用的是單級PFC控制，單級PFC結構簡單但輸出含有大量的低頻紋波，嚴重影響了 LED驅動器的使用壽命，因此需要對LED輸出電流紋波進行處理。我們設計了一款8.5 W LED驅動器，采用單級PFC結構，并在輸出端增加有源紋波補償電路，分析了該驅動器各部分電路的工作原理，并制作了樣機，進行了實驗。實驗結果表明：所設計的LED驅動器拓撲結構簡單，輸出紋波小，效率高。

LED；照明；驅動器；紋波；設計；電路；功率因數(shù)校正

引言

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有無可比擬的優(yōu)勢[1-2]：光譜豐富、光譜窄、光效高，LED及其驅動器體積小、發(fā)熱小、使用壽命長；另外，LED驅動器采用開關電源，大大提高了電能的利用效率[3]。

由于LED光源不能直接利用電網(wǎng)提供的交流電供電，因此需要為LED設計合適的驅動電源，而LED驅動電源性能將直接決定整燈的可靠性與壽命。LED驅動電源大都采用開關電源，開關電源具有體積小、效率高的巨大優(yōu)勢。對于市場上的LED驅動器，相關標準都規(guī)定了輸入端必須采用功率因數(shù)校正技術。傳統(tǒng)功率因數(shù)校正(PFC)校正電路一般采用兩級拓撲，兩級式PFC電路拓撲復雜且成本較高，因此并不適合用于低成本小功率的LED驅動器。近年來，單級PFC控制技術的提出，使得LED前級PFC校正結構更簡單、成本更低，但單級PFC輸出端含有大量的低頻紋波，嚴重影響LED驅動器的使用壽命。因此，針對LED驅動器的低紋波輸出技術的研究具有重要意義。

本文設計一款8.5W恒流LED照明驅動器，并在輸出端引入一種有源紋波補償電路對紋波電流進行補償，使得輸出電流更接近理想直流。

1 驅動器設計方案論證

開關電源按控制方式主要分為恒壓源與恒流源兩大類[4-5]，LED驅動大都采用恒流控制，以保證LED的壽命與光衰。開關電源按電路結構可分為隔離與非隔離兩大類[6-7]。隔離型利用變壓器將電網(wǎng)與輸出隔離，保證安全；非隔離型輸入輸出端的地接在一起，電路拓撲結構簡單。LED燈具大部分電源為內置結構，如LED日光燈、球泡燈以及筒燈等，其驅動電源都安裝在燈殼內，且一般安裝在人觸碰不到的地方，因此驅動器可以采用結構簡單的非隔離拓撲。

對于LED電源相關機構有一系列的安規(guī)及EMC要求，其中對輸入電流有低諧波要求，因此LED驅動器的輸入端必須加入PFC電路[8]。帶PFC功能的驅動器分為單級與兩級兩種結構，單級PFC將PFC電路與DC/DC電路集成在一起；兩級式PFC變換器就是將變換器分為PFC和DC/DC兩級，它們因功率等級、成本以及控制難度等因素各有相應的應用場合。在小功率、低成本的LED照明場合適合選擇單級PFC拓撲。傳統(tǒng)單級PFC校正需要對輸入電壓采樣，因此輸出端不可避免的產生大量低頻紋波，通常都在輸出端接大電解電容進行濾波，而電解電容的壽命很短，與LED的壽命不匹配，本設計采用一種有源紋波電流補償?shù)姆绞綄y波電流進行補償，使得LED驅動器在輸出端可以不加電解電容而得到較低的紋波電流。綜上所述，本設計采用非隔離型單周期控制單級PFC電路，另外，在驅動器的輸出端設計了一種有源紋波電流補償電路，有效減小了電流紋波，延長了驅動器使用壽命。

2 電路主要組成部分工作原理分析

2.1 單級PFC電路原理分析

本文設計的LED驅動器電路拓撲主要由輸入EMI濾波器、單級PFC電路、buck主電路及輸出去紋波電路組成。由于EMI濾波電路及buck電路工作原理在相關文獻中已有大量的研究，所以本文將不再贅述[9-10]。主要研究單級PFC及輸出去紋波電路的工作原理。傳統(tǒng)單級PFC電路工作原理如圖1所示。

圖1 單級PFC工作原理圖Fig.1 Single stage PFC working diagram

圖1中乘法器的輸入分別來自誤差放大器的輸出和整流后正弦半波的分壓，誤差放大器的輸出為驅動器輸出反饋電壓與誤差放大器內部基準電壓之間的差值，因此乘法器輸出也是正弦半波，大部分單級PFC芯片都采用逐周期限峰值電流來控制輸出電流的平均值恒定，峰值控制原理如圖2所示，開關管在峰值電流達到基準時關閉，在下一周期電流到來時開通，周而復始產生驅動信號。圖1中由于芯片內部PWM比較器基準端接乘法器的輸出，那么采樣電阻Rs上的電流峰值也就跟隨乘法器輸出的正弦半波變化，采樣電阻上的電流為DC/DC主電路中電感峰值電流，電感峰值電流反映了輸入電流，因此輸入電流將跟隨輸入電壓的相位變化而變化，達到功率因數(shù)校正的目的。

圖2 峰值電感電流控制原理圖Fig.2 Peak inductor current control diagram

2.2 輸出有源紋波電流補償電路工作原理分析

由于單級PFC電路整流橋后面沒有大電解電容，因此開關波形為整流后的100 Hz正弦包絡，故輸出端也會含有大量的100 Hz紋波，大的波紋嚴重影響了驅動器的使用壽命。因此本設計在輸出側設計了一種有源紋波電流補償電路，電路如圖3所示。

圖3 有源紋波電流補償電路Fig.3 Active cancellation ripple circuit

電路穩(wěn)態(tài)工作時的電感電流波形如圖4所示。電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感電流iL(t)可以看成是直流成分IL與交流成分ir(t)的疊加，即

iL(t)=IL+ir(t)

(1)

圖4 紋波電感電流及補償示意圖Fig.4 Ripple inductance current and compensation diagram

忽略電感電容等元件的寄生參數(shù)，運放A1、A2由圖3中的DC電源供電設圖中電阻R1～R6阻值均為R，根據(jù)紋波檢測電壓與電感兩端電壓及紋波電流之間的關系，可以求得補償三極管T的集電極電流為

(2)

(3)

此時，電感電流為

(4)

由基爾霍夫電流定律可知流過LED的電流為

io=IL+IC=IP

(5)

3 主電路設計

本設計的輸入電壓為85～264 V(AC)全電壓范圍，輸出額定功率為8.5 W，輸出電流為80 mA。電路如圖5所示。

圖5 DC/DC主電路原理圖Fig.5 Principle diagram of main DC/DC circuit

主控芯片采用PT4240，PT4240是一款高精度的帶功率因數(shù)校正的LED恒流驅動芯片。圖5中輸入電壓經整流橋和EMI濾波后通過R1、R2、R3給電容C3充電，當充電電壓達到芯片VCC開啟電壓時芯片開始工作。電路正常工作后輸出電壓通過二極管D2和電阻R7、R8給電容C3充電維持VCC正常工作，為了降低功耗電阻R1、R2、R3取值不能太小，這里阻值取430 k。電容Ci為輸入濾波電容，為了保證電路具有高的PFC值電容值不能取得太大，這里選擇0.22 μF的CBB薄膜電容。芯片的1腳為電壓補償端，接在該引腳的電容一般選擇0.1 μFCBB電容。芯片2腳為電壓反饋端，該腳檢測電感電流過流并監(jiān)測OVP過壓點，電阻R4和R9為分壓電阻，R9選擇20 k,R4選擇470 k。芯片3腳為VCC供電腳，接在該腳的電容C2需要能夠提供足夠的能量保持VCC的正常工作，這里選取2.2 μF的鋁電解電容。芯片4腳為電流采樣端，接在該腳的電阻Rcs可按式(6)選?。?/p>

(6)

式中Uref為芯片內部的基準電壓，典型值為200 mA，Iout為LED輸出電流。代入數(shù)據(jù)可得RCS=2.5 Ω，為了提高采樣精度這里選擇兩只5.1 Ω的電阻R5和R6并聯(lián)。

電感L的取值可按式(7)計算：

(7)

式中Uimax為最大輸入電壓，Uo為輸出電壓，Ton為開關開通時間，PT4240芯片為固定開通時間15 μs，ΔI為輸出紋波電流峰峰值，假設輸出紋波電流峰峰值為40 mA則帶入相關數(shù)據(jù)可得L≤59 mH，設計時取為28 mH的電感。由于輸出端采用了有源紋波補償，因此輸出端可以選擇較小容量的鋁電解電容，甚至可以不用電解電容。

4 實驗驗證

根據(jù)理論分析，我們設計了一臺驅動器的樣機。圖6(a)為輸入端電壓、電流波形，從圖中可以看出輸入電流很好的跟隨了輸入電壓的相位，具有高的PF值。圖6(b)為芯片內置MOS管的漏源極電壓波形，為一典型的饅頭波。圖6(c)為不加去紋波電路時輸出電流波形，圖6(d)為加上紋波補償電路后的輸出電流波形，從圖6(c)和(d)可以看出加上紋波補償電路后LED驅動器的輸出電流紋波大大降低了。用該驅動器驅動帶16顆LED燈珠的球泡燈光輸出效果好，無頻閃，很適用于家庭照明燈具。

圖6 電路主要實驗波形Fig.6 Main experimental waveform of circuit

5 結束語

LED照明驅動器的壽命很大程度上取決于輸出端的電流紋波大小，在輸出端采用無電解的方案將大大增加LED的使用壽命。本文在此基礎上設計了一款低紋波輸出的帶單級PFC功能的非隔離恒流驅動器，該驅動器可以實現(xiàn)很高的恒流精度，并具有極低的電流紋波。將該驅動器用于LED驅動大大增加了LED的可靠性與壽命，對實際工程應用具有重要意義。

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Design of A LED Lighting Driver with Low Output Ripple

SUN Chenkun1, CHEN Qiang2

(1.Fire Brigade of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China; 2.Public Security Fire Brigade Fire Supervision Department of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China)

In general, the preceding stage of the LED lighting driver needs the power factor correction. Because of its simple structure, the single level PFC is used to correct the power factor. However, the output contains a lot of low ripple, which seriously affect the life of the LED driver. We need to dispose the LED output current ripple, due to the disadvantage of the single level PFC. In this paper, we design a 8.5 W LED driver, which uses a single stage PFC structure, and the active ripple compensation circuit is added in the output end.The working principle of each part of the drive circuit is analyzed, the prototype is made and the experiment is carried out. Experiment results show that the designed LED driver topology is simple, the output ripple is small and the efficiency is high

LED；lighting；driver；ripple；design；circuit；PFC

國家自然基金委專項(項目號：11347219)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.021