帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動電源

王曉林，侯 磊，陳文薌

（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

LED照明由于具有環(huán)保、壽命長、高可靠性等特點，正在發(fā)展成為實施綠色節(jié)能照明工程中最具有前途的第4代光源。由LED的電學特性可知，LED在正向?qū)ê螅鬟^LED的電流及其兩端電壓對LED能否正常工作起著關鍵性的作用。所以，設計合理的驅(qū)動電源對于 LED照明燈就顯得十分重要。

Energy Star標準規(guī)定：商業(yè)照明的供電設備的功率因數(shù)不得低于0.9。因此LED的供電電源除了能滿足上述LED特性要求，還應有功率因數(shù)校正（PFC）功能。文中針對近年來迅速發(fā)展的LED照明驅(qū)動電路的應用，提出一種帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動電源。

1 電路原理

圖1為功率因數(shù)校正原理框圖（虛框內(nèi)為控制電路），主電路為Boost升壓電路，并由控制電路實現(xiàn)雙閉環(huán)控制：外環(huán)電壓控制環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓；內(nèi)環(huán)電流環(huán)實現(xiàn)輸入電流i（t）跟蹤輸入電壓 vg（t）波形，其中 i（t）=iL（t）。

對于Boost電路，只要輸入電壓低于輸出電壓，電感的電流就完全受開關的控制[1]。以下結(jié)合圖2電感電流受控的特點進行說明。

由于開關頻率遠高于輸入電壓頻率，可認為一個開關周期內(nèi)輸入電壓平均值與瞬時值相等，平均值不變，即：

由于Boost升壓電路低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠小于開關頻率時，可認為一個開關周期內(nèi)狀態(tài)變量的平均值與瞬時值近似相等[2]，平均值近似不變，即：

圖1 功率因數(shù)校正原理框圖Fig.1 Power factor correction principle diagram

在滿足上述條件下，開關元件Q1的電流iQ1（t）與開關元件 D1的端電壓 vD1（t）波形如圖 2（c）所示。 取電感電流 iL（t）與電容電壓vO（t）為狀態(tài)變量，在一個開關周期TS內(nèi)，可用電感電流 iL（t）的平均值＜iL（t）＞TS與電容電壓 vO（t）的平均值＜vO（t）＞TS來表征Q1的平均電流與D1的平均端電壓，如公式（3）、（4），式中 d（t）為 Q1導通截止的占空比時間函數(shù)。

圖2 Boost升壓電路的一個開關周期 內(nèi)的等效電路模型建立Fig.2 Equivalent circuit model of Boost circuit in a switch cycle

式（3）表明 Q1的作用可由數(shù)值為 d（t）iL（t）的受控電流源取代在電路中的作用；式（4）表明D1的作用可由數(shù)值為d（t）vO（t）的受控電壓源取代D1在電路中的作用。從而得到圖2（b）Boost升壓電路的一個開關周期TS內(nèi)的等效電路模型。進一步用戴維寧定理簡化為圖2（d）簡化模型，則電感兩端電壓為 vL（t）為：

式（5）中，輸入電壓 vg（t）為整流后的直流脈動波形，可視為時間定義域定義在[0，π]的正弦電壓。結(jié)合Boost電路可知，選擇合理的 d（t）可使電感電壓 vL（t）也為正弦量，由相量法可得電感兩端電壓超前電感電流90°[3]。所以，只要d（t）選擇的合適，使電感L兩端的電壓vL（t）為正弦波，且超前輸入電壓90°，便可以使電感電流成為與輸入電壓同相位的正弦波，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，圖2（e）為校正后電路對應的相量圖。

合適的占空比d（t）可由圖（1）中控制電路實現(xiàn)。原理為：整流后的脈動正弦電壓波形作為輸入電流的參考波形，引入控制電路模擬乘法器。另外，為保證輸出電壓恒定，將輸出電壓與給定電壓之間的誤差經(jīng)電壓控制電路引入乘法器，兩信號經(jīng)過乘法器運算得到幅值跟隨電壓控制電路輸出變化的正弦絕對值信號，作為電流跟蹤環(huán)的給定信號，電流跟蹤控制電路使流經(jīng)確保電感中的電流跟蹤該給定信號，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正，且穩(wěn)定了輸出電壓。

2 電路實現(xiàn)

實際驅(qū)動電源電路如圖3所示，圖中采用電源控制器件L6561實現(xiàn)上述控制電路主要功能；變壓器初級電感量[4－5]:L=1.84 mH；電路輸出功率Po=50 W；輸入線電壓Uin范圍：85～250 VAC；輸出電壓 UO=400 VDC±5%。

圖3 實際電路的實現(xiàn)Fig.3 Establishment of the practical circuit

驅(qū)動電源電路的負載是多顆LED燈珠串聯(lián)的燈珠串，為防止因某幾顆LED燈珠發(fā)生故障導致負載斷路，這里采用文獻[6]中所述連接方式，即在每個LED兩端反向并聯(lián)接一個穩(wěn)壓管，當燈珠發(fā)生斷路，穩(wěn)壓管自動接入確保負載正常工作。為實現(xiàn)負載LED燈源恒流供電，負載串聯(lián)的由Q1、Q2、R1、R2構(gòu)成的恒流源電路，其工作原理如下：圖3中有ILED≈IR1+IR2，當 R1足夠大使得時 IR1?IR2，ILED≈IR2=（Ube/R2）， 由于 Ube穩(wěn)定在0.7 V，因此精選R2就能穩(wěn)定驅(qū)動電流ILED。

3 實測結(jié)果

試驗電源采用圖3電路搭建，電源負載選用109顆0.5 W的LED燈珠組成的長串結(jié)構(gòu)進行試驗。圖4給出了驅(qū)動電源輸出電壓Uo、流過LED燈珠串電流ILED、單顆LED燈珠電壓ULED及電源功率因數(shù)PF值隨Uin的變化情況。

當交流輸入電壓在85～250 V之間變化時：

圖4（a）表明 U0保持在400 V，最大波動僅為12 V，當輸入電壓高于175 V后，U0基本保持恒定；

圖4（b）表明 ULED保持在 3.6 V，最大波動僅為 0.1 V，當輸入電壓高于175 V后，ULED基本保持穩(wěn)定。

圖4（c）表明LED燈珠電流ILED保持在 125 mA，最大波動僅為15 mA。

圖4（d）表明，功率因數(shù)（PF）值大于，功率因數(shù)得到很大的提高。

圖4 實際測試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.4 Actual test data graphs

4 結(jié) 論

文中提出的帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動電源，在寬輸入電壓范圍內(nèi)能保證流經(jīng)負載電流恒定，實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能.此外，本文方案具有控制簡單可靠、電路易于實現(xiàn)以及高性價比的優(yōu)點。

[1]楊旭，裴運慶，王兆安.開關電源技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[2]張衛(wèi)平.開關變換器的建模與控制[M].北京:中國電力出版社，2005.

[3]秦曾煌.電工學[M].北京:高教出版社，1999.

[4]趙修科.實用電源技術手冊磁性元器件分冊 [M].沈陽:遼寧科學技術出版社，2002.

[5]張占松，蔡宣三.開關電源與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社，1998.

[6]鐘龍平，馬智杰，徐欣歌，等.一種線性恒流的LED驅(qū)動電路設計[J].電子設計工程.2011（2）:116－118.ZHONG Long-ping，MA Zhi-jie，XU Xin-ge，et al.Design of a linear constant-current LED driver circuit[J].Electronic Design Engineering，2011（2）:116－118.