工程師淺談如何執(zhí)行高功率因數(shù)的LED驅(qū)動器設計

1 LED照明的發(fā)展概述

消費者從傳統(tǒng)照明轉(zhuǎn)換到LED照明是已經(jīng)被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節(jié)省80%的能源，其壽命可以長至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節(jié)能燈，不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，如水銀，汞等重金屬物質(zhì)，也沒有像節(jié)能燈(CFL)在啟動時暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡到對環(huán)境與能源的厲害關(guān)系，政策上也會加速推廣LED照明，因為LED照明在發(fā)光原理、節(jié)能、環(huán)保的層面上都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，盡管短時間內(nèi)LED照明的成本很高，譬如傳統(tǒng)60W白熾燈零售價格只有7W LED燈的1/10還不到，所以家庭用戶現(xiàn)階段對LED燈的價格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設中的商業(yè)照明市場中，如酒店和商場都使用了LED照明，已鮮見再有傳統(tǒng)照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅(qū)動部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數(shù)。發(fā)達國家在照明領(lǐng)域里的能源問題已非常重視，譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規(guī)定，住宅照明驅(qū)動器的功率因數(shù)PF必須大于0.7，商業(yè)照明大于0.9的強制性要求。

2 主動式LED驅(qū)動器

主動式功率因數(shù)校正常規(guī)上采用兩極拓撲來實現(xiàn)，前級用升壓電路結(jié)構(gòu)，后級直流轉(zhuǎn)換部分用隔離反激式結(jié)構(gòu)，如圖4.1示，功率因數(shù)校正芯片用恩智浦半導體的SSL4101控制器，它運行在臨界導通模式下，恒定導通時間控制，流過電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關(guān)系，所以輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數(shù)。這種控制環(huán)路可靠度高，常在中、大功率驅(qū)動器中使用。SSL4101也集成了反激轉(zhuǎn)換控制功能，如目前常采用準諧振斷續(xù)式控制，準諧振工作的特點就是確保主開關(guān)上的寄生電容上的電壓降到最低時導通，降低開關(guān)損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。

圖1：兩級主動式功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)圖

3 單級功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器

3.1 采用單級功率因數(shù)校正的原因

不管是用填谷方式或主動式功率因數(shù)校正技術(shù)來提高功率因數(shù)，都有其各自的優(yōu)缺點，如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容，已致于元件成本和尺寸在緊湊型的LED燈設計中存在一定的局限性。兩級主動式結(jié)構(gòu)雖然能將功率因數(shù)和諧波性能實現(xiàn)得最好，但功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)較為復雜，使電源的成本和體積增加，由此產(chǎn)生了單級功率因數(shù)校正技術(shù)，其拓撲是將功率因數(shù)校正電路中的開關(guān)元件和后級DC-DC變換器的開關(guān)元件合并和復用，將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數(shù)變換器有以下優(yōu)點：1)開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低;2)控制電路通常只有一個輸出回路，簡化了控制回路;3)單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點，單級功率因數(shù)校正電路在中小功率LED驅(qū)動器中優(yōu)勢非常明顯。

3.2 單級降壓式功率因數(shù)校正的工作原理

前面提及了傳統(tǒng)降壓式BUCK結(jié)構(gòu)中功率因數(shù)過低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經(jīng)主開關(guān)管上的電流平均值調(diào)整成接近于電壓變化的相位，也就是在每個周期內(nèi)，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達到高功率因數(shù)的目的。

圖2所示線路是用來調(diào)整主開關(guān)電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發(fā)射極端得到一個兩倍于市電的頻率，且近似于半正弦波的變化電平，這樣再把這個電平提供給控制芯片SSL2109電流回授腳，芯片內(nèi)部再去調(diào)制主回路工作頻率，使流過主開關(guān)管的平均電流形成近似半正弦的形狀。

圖2：單級功率因數(shù)調(diào)整電路

3.3 反激式結(jié)構(gòu)中驗證單級功率因數(shù)調(diào)整電路

當然，單級降壓結(jié)構(gòu)中的功率因數(shù)矯正的外圍線路也可以用到隔離反激式結(jié)構(gòu)中，因為，在一部分LED照明中，隔離反激式結(jié)構(gòu)的設計需求也是非常多的。圖3是試驗在隔離反激式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，從測試出來的結(jié)果看到，功率因數(shù)和諧波電流與在降壓式結(jié)構(gòu)中得的結(jié)果基本相同，都能做到功率因數(shù)(PF)值大于0.9和諧波電流小于20%的性能。

圖3：功率因數(shù)調(diào)整線路在反激結(jié)構(gòu)應用結(jié)果

4 總結(jié)

本文就LED照明驅(qū)動器的設計方案做了相關(guān)探討和研究，特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數(shù)和低電流諧波性能，經(jīng)過理論分析和實際實驗論證，證明出在傳統(tǒng)降壓式結(jié)構(gòu)上改進出的單級功率因數(shù)調(diào)整式結(jié)構(gòu)是可以完全達到高功率因數(shù)和低諧波的性能，也能容易地應用于LED照明驅(qū)動器的實際設計。