LED燈高功率因數(shù)驅(qū)動器的設計

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)在啟動時亮度暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡與環(huán)境能源厲害關系，政策上加快往LED照明上傾斜。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，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，在用常規(guī)驅(qū)動的方式下，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因子。發(fā)達國家在照明領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)動器的功率因子PF必須大于0.7、商業(yè)照明大于0.9的強制性要求。

　　降壓式LED驅(qū)動器說明

　　三種常用的基本電源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通常是指降壓BUCK，升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結(jié)構(gòu)，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地在線。通常設計時選擇降壓結(jié)構(gòu)是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結(jié)構(gòu)。在實際LED驅(qū)動器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會采用降壓式結(jié)構(gòu)，因為不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且組件成本和轉(zhuǎn)換效率上有明顯的優(yōu)點，所以其應用非常廣。

圖1 降壓結(jié)構(gòu)測試波形

　　降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖1所示，紫色通道是通過主開關管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開關管Q1的漏極電壓波形，藍色信道是輸入電流波形，黃色信道是輸入電壓的波形。

　　可以看到流過主開關管的電流平均值基本是一條水平線，主要是整流后的濾波電容(Ｃ１，Ｃ２)容量很大，其充滿后的存貯電壓足夠已在整個周期內(nèi)泄放，所以輸入電壓總是會高于輸出電壓，每個周期內(nèi)流過開關管的電流通過電阻R5轉(zhuǎn)換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內(nèi)部的電流參考腳的電平是一個固定值，當達到參考值后，主開關管就停止工作，等檢測到開關管上的最低谷底電壓時，芯片再提供開通驅(qū)動信號給主開關管柵極。所以，開關管每個周期電流大小基本一致，造成輸入在線電流（圖1中的淺藍色通道）的變化不是跟隨輸入電壓的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因子會非常低，電流諧波也很大。

　　填谷式LED驅(qū)動器

　　為了滿足能源之星和IEC(國際電工委員會的簡稱)相關要求，早期大多設計者采用被動填谷方式來提高輸入功率因子，大致電路結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 填谷式結(jié)構(gòu)線路圖和和仿真結(jié)果　　采用被動式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內(nèi)變化時，功率因子PF已經(jīng)從原來的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%，所以在提高功率因子的同時，效率沒有明顯的降低。圖3是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色信道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，雖然功率因子提高了，但輸入電流波形還是畸變的，總諧波因子不是很好，測試數(shù)據(jù)顯示總電流諧波在38%，如圖3右側(cè)諧波測試資料所示。

圖3 填谷降壓式結(jié)構(gòu)測試波形和諧波結(jié)果

　　主動式LED驅(qū)動器

　　主動式功率因子校正常規(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，功率因子校正芯片用恩智浦的SSL4101控制器，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系，輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高功率因子。這種控制線路可靠度高，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，確保主開關上的寄生電容上的電壓降到最低時導通，降低開關損耗。相比填谷式結(jié)構(gòu)，主動式功率因子校正設計可以達到更高功率因子和低諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結(jié)構(gòu)的驅(qū)動設計非常復雜，組件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅(qū)動器中使用。