基于L6562的單級(jí)PFC反激LED電源的研究

LED照明是一種新型照明方式，與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈等照明方式相比，LED光源具有發(fā)光效率高、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)勢(shì)，成為目前世界上最有可能替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。LED芯片是一種低壓電流型器件，電流是影響其發(fā)光性能的主要因素，現(xiàn)有LED光源普遍采用多顆LED，通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)組成LED模組來(lái)進(jìn)行照明，為了達(dá)到最佳的工作性能，必須要設(shè)計(jì)合適的LED驅(qū)動(dòng)電源，使其在恒定電流的條件下工作。為了保證LED的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的LED照明產(chǎn)品和應(yīng)用要求，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使LED驅(qū)動(dòng)電源達(dá)到高效率、高可靠性、高功率因數(shù)、低成本的要求。 對(duì)于30 W～75 W的中小功率LED模組照明，通常選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試簡(jiǎn)單的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，LED驅(qū)動(dòng)電源通常要求PF值大于0.9，因此普通反激電源前端通常還要加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，不僅增加了成本，而且體積也難以小型化，效率也不高。而單級(jí)PFC反激電路，將功率因數(shù)校正與反激電路合二為一，不僅可以得到較高的功率因數(shù)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于中小功率LED模組照明。

1 工作原理分析與設(shè)計(jì)

1.1 L6562芯片簡(jiǎn)介

L6562是意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的一款功率因數(shù)校正（PFC）控制器[1]。它工作于臨界模式（即電感電流處于連續(xù)或斷續(xù)的邊界上），與傳統(tǒng)PWM變換器工作的連續(xù)電流模式或不連續(xù)電流模式不同的是，臨界模式工作在變頻模式下，在輸入電壓和電流變化的情況下通過(guò)快速調(diào)節(jié)工作頻率使輸出穩(wěn)定。L6562在其乘法器中嵌入了電流總諧波失真（THD）優(yōu)化電路，可以有效控制AC輸入電流的交越失真和誤差放大器的輸出紋波失真，從而提高功率因數(shù)，降低輸入電流總諧波失真。該芯片主要應(yīng)用于前級(jí)PFC校正電路，本文中將其用于單級(jí)PFC反激電路。

1.2 基于L6562單級(jí)PFC反激電路設(shè)計(jì)與工作原理分析

L6562單級(jí)PFC反激電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。交流電壓經(jīng)過(guò)前級(jí)保護(hù)單元和EMI濾波單元后，由整流橋整

其中，Irms為開關(guān)MOS管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)電流的有效值?？赏ㄟ^(guò)使用導(dǎo)通電阻Rds(on)更小的MOS管來(lái)減少損耗。開關(guān)損耗是指，在開關(guān)過(guò)程中，開關(guān)管電壓Vds和電流Ids發(fā)生變化，從“開”到“關(guān)”或從“關(guān)”到“開”有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，這期間電壓Vds和電流Ids存在一個(gè)交疊過(guò)程，產(chǎn)生較大的損耗即為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗占MOS管損耗的很大一部分。
在本電路中，如圖2所示，在開關(guān)MOS管導(dǎo)通之前，由于次級(jí)電流已降為0，初級(jí)繞組上的電壓由于漏感及MOS管上的寄生電容存在而產(chǎn)生振蕩，電壓開始時(shí)刻已經(jīng)開始下降，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電壓值已經(jīng)很小，近似于零電壓，因而大大減少了導(dǎo)通損耗，從而提高了效率。
2.2.3 次級(jí)整流二級(jí)管損耗
次級(jí)整流二極管上的損耗可表示為PD=VD Iave，其中VD為次級(jí)整流二極管導(dǎo)通時(shí)的前向壓降，Iave為流過(guò)次級(jí)整流二極管的平均電流。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗?？刹捎们跋螂妷焊〉男ぬ鼗O管或者同步整流的方式來(lái)減少損耗。由于同步整流成本較高，且電路復(fù)雜，在輸出電流較小時(shí)效率提升不大，因此本電路采用肖特基二極管作為次級(jí)整流二極管。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)以上分析，制得實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)，樣機(jī)基本設(shè)計(jì)條件如下：輸入電壓范圍160 V~250 V，輸出電流2.1 A，輸出電壓范圍25 V~40 V，最小工作頻率100 kHz，測(cè)試負(fù)載為60顆大功率LED組成的6并10串LED陣列（單顆LED工作時(shí)前向電壓約為3.2 V）。
圖4(a)所示為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的開關(guān)MOS管漏極和源極兩端電壓波形，放大倍數(shù)為500。圖4(b)為開關(guān)管下端檢測(cè)電阻Rs兩端電壓波形，間接反映出流過(guò)開關(guān)MOS管的電流波形。從圖中可以看出，開關(guān)MOS管上的電壓與電流峰值包絡(luò)均近似為正弦半波變化，可推測(cè)出本電路具有較高的PF值。

圖5為220 V輸入電壓下輸入電壓和輸入電流波形。從中可以看出，輸入電壓和輸入電流波形均近似為正弦波形，且相位基本一致，故PF值較高，實(shí)際測(cè)得PF值為0.97。

圖7即為在不同輸入條件下，電源效率的變化情況。從圖中可以看出，輸入電壓在160 V~250 V電壓范圍內(nèi)變化時(shí)，電源效率基本穩(wěn)定在90%左右，在寬范圍輸入電壓的條件下顯示出良好的性能。出于對(duì)成本及電路復(fù)雜度方面的考慮，本電源后級(jí)整流沒(méi)有采用同步整流的方式。若在輸出大電流的條件下，采用效率更高的同步整流方式，更換性能更佳的開關(guān)MOS管，則電源效率還將進(jìn)一步提升。

本文介紹了基于L6562的單級(jí)PFC反激電路的LED驅(qū)動(dòng)電源原理，并對(duì)其功率因數(shù)與效率進(jìn)行了理論分析。該驅(qū)動(dòng)電源將傳統(tǒng)兩級(jí)電源中的前級(jí)PFC校正電路與后級(jí)DC-DC電路合二為一，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)同時(shí)采樣輸入電壓和輸出電壓的信號(hào)，使開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓波形變化而改變，從而使電源輸入的電流跟隨輸入電壓波形變化，以獲得高的PF值。此電路工作于臨界導(dǎo)通模式，在開關(guān)MOS管在導(dǎo)通之前，開關(guān)MOS管兩端電壓已開始下降，減少了開關(guān)MOS管的開關(guān)損耗，從而有效提高電源效率。通過(guò)制作樣機(jī)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了此種LED驅(qū)動(dòng)電源在較寬的電壓范圍內(nèi)，具有較高的功率因數(shù)和效率。

參考文獻(xiàn)

[1] STMicroelectronics.L6562a Transition-mode PFC controller datasheet[EB/OL].(2007)[2011-8].http://www.st.com.
[2] 江磊，蔣曉波，陳郁陽(yáng)，等.一種用于LED路燈的高效率電源驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2009，20（4）：55-57.
[3] ADRAGNA C.Design Equations of high-power-factor flyback converters based on the L6561[EB/OL].STMicroelectronics application note AN1059，(2003)[2011-8]http:// www.st.com,2003.
[4] MANIKTALA S.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)譯.北京：人民郵電出版社，2008.
[5] PRESSMAN A I.開關(guān)電源設(shè)計(jì)（第2版）[M].王志強(qiáng)譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[6] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[7] CHERN T L，LIU L H，PAN P L，et al.Single-stage flyback converter for constant current output LED driver with power factor correction[C].IEEE ICIEA，2009：2891-2896.
[8] BROECK H，SAUERLANDER G，WENDT M.Power driver topologies and control schemes for LEDs[C].IEEE APEC，2007：1319-1325.
[9] 鄧衛(wèi)華，張波.臨界模式下的單級(jí)功率因數(shù)校正電路及儲(chǔ)能電容電壓控制的研究[J].電工電能新技術(shù)，2003，22(2)：38-42.