高效單級變換式LED驅動電源設計方案

摘要：無論民用或商用領域，功率100 W 以下的交流電源都有著巨大的應用需求。由于要兼顧輸入諧波電流、功率因數(shù)、系統(tǒng)能效等問題，采用臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源拓撲成為非常完美的小功率直流電源解決方案。它具有高的轉換效率，在高端小電源供應器中的應用越來越廣泛，特別是在LED照明驅動方面極具優(yōu)勢。文章主要闡釋小功率(≤100 W)單級AC/DC轉換器的原理，分析其正弦調(diào)制原理及獲得高功率因數(shù)、高能效的原因，并探討了轉換器的功能和優(yōu)點，最后設計了一個采用仙童FAN6961芯片控制的48 V輸出75 W 的LED驅動電源，實驗驗證和批量生產(chǎn)證明本方案設計合理、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性好，能夠有效提高能效、功率因數(shù)，避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風能、太陽能、生物能源等成為熱點。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經(jīng)濟、技術風險等不確定因素，所以各國政府都在積極發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產(chǎn)品的應用研究，倡導產(chǎn)品降低能耗、提高效率、促進節(jié)能技術創(chuàng)新等工作。基于LED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅動電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為LED光電照明產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關鍵技術問題。

中國的國家推薦性標準GB/T24825-2009LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求中規(guī)定：達到能效1級的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應不小于88%(P>25 W );電源產(chǎn)品電磁干擾(EMI)性能應符合國家強制性標準GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值和GB17743-2007電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法的相關要求。美國能源之星照明燈具規(guī)范(ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires)中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9.

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個驅動電源，驅動電源的性能直接關系到LED光源的性能。在全球提倡節(jié)能減排和綠色電子的大背景下，如何設計一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅動電源是當今廣泛關注的熱點問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正(PFC)電路，臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級反激式的電源供應器拓撲，通過正確設定相關參數(shù)，可在兼顧電源品質(zhì)與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

1 單級AC/DC拓撲結構及原理

AC/DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1.工作原理：開關管MOS驅動著反激式儲能隔離變壓器T,MOS導通時變壓器T儲能，關斷時變壓器T次級繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導通、關斷時間規(guī)律，可實現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC/DC反激式變換器原理圖

電路拓撲如圖2所示。

圖2 電路拓撲圖

圖2中：Lm為變壓器初級勵磁電感，Lr為漏電感，初級電感LP=Lm+Lr,次級電感為LS。

1.1 SPWM 調(diào)制原理

如圖2所示，市電經(jīng)全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調(diào)制原理分析如圖3:IQ為MOS管在某一時刻的導通電流，IQ(sin)_PK是MOS的峰值電流，ID為次級二極管在MOS管關閉時刻的續(xù)流，ID(sin)_PK是二極管的峰值電流。

圖3 SPWM 調(diào)制圖

在調(diào)制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導通下一個驅動脈沖工作方式，以保障每個開關周期里T =TON+TOFF 。

如調(diào)制圖3,設市電輸入正弦波電壓：

Uin(t)=Uin_pksinωt

把市電輸入電壓離散化，則設第N 個點時，圖中△ABE所示，MOS導通，電壓與電感勵磁電流的關系如下：

若N 足夠大時，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設導通時間為常數(shù)：TON_N = 常數(shù)(const)，則上述MOS導通電流各點峰值IQ(sin)_pk組成的包絡就形成了正弦規(guī)律。