高效單級變換式LED驅動電源設計

劉毅清

（廈門市產品質量監督檢驗院，福建 廈門361000）

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存在諸多經濟、技術風險等不確定因素，所以各國政府都在積極發展LED照明產業，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產品的應用研究，倡導產品降低能耗、提高效率、促進節能技術創新等工作。基于LED發光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅動電源的能效、功率因數、可靠性等性能成為LED光電照明產業能否健康發展亟待解決的關鍵技術問題。

中國的國家推薦性標準 GB／T24825－2009“LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求”中規定：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范（ENERGY STAR?Program Requirements Product Specification for Lu minaires）中規定：商用照明燈具功率因數必須大于0.9。

LED光源與其它光源的主要區別在于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“節能減排”和“綠色電子”的大背景下，如何設計一種高功率因數、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，可在兼顧電源品質與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內高次諧波電流造成的電源環境污染。

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次級繞組通過續流二極管釋放能量。控制MOS的導通、關斷時間規律，可實現輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩定控制，以保障輸入電流的正弦規律化和輸出直流特性的穩定性。

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調制原理

如圖2所示，市電經全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調制原理分析如圖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管關閉時刻的續流，ID（sin）＿PK是二極管的峰值電流。

在調制波形示意圖里，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。

如調制圖3，設市電輸入正弦波電壓：

圖3 SPWM調制圖

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：

由上式可知：

假設導通時間為常數：TON＿N＝ 常數（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律。

次級二極管瞬時峰值電流為ID（t），根據勵磁電流引起的磁通不能突變原則可知：ID（t）＝n IQ（t）＝nIQ（sin）＿pksinωt，且等式LP＝n2LS成立，其中參數n為變壓器的初、次級匝數比。

根據變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級伏秒規則如下：

式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向導通壓降。

且根據：T＝TON＋TOFF

設在第 N 點對IQ（sin）＿pk＿N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

在時間為連續時可等效為連續輸入電流：

則市電輸入電流：IIn（t）＝IQ（sin）＿AV（t）

由上幾個等式可得到：

設：UR＝n（Uo＋UF）并定義：UR為反射電壓。

則可得輸入電流的表達式：

由輸入電流表達式可見：在開關管按恒定導通時，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關，即T HDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數比n（這里n＝N1／N2）等。

根據上述表達式把輸入電流正弦波特性與Rvr關系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數值越小時，輸入電流就越正弦，失真度就越小；反之則正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

1.2 高功率因數輸入的器件優化選擇原則

設定輸入電壓為純凈正弦波，輸入功率因數和諧波電流關系如下式：

式中，θ為基波電壓與基波電流的相角差；這里可設cosθ＝1。把以上關系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和T HDI值繪圖，如圖5、圖6所示，由關系圖可知：Rvr值越小對功率因數和諧波電流越好，但是從系統性價比來看，Rvr并非越小越好；這是因為：由電流表達式可知，Rvr小就意味著反射電壓UR高，匝數比N要求也大，也就是說MOS關斷所承受的反峰電壓就高，而相對于二極管D反向電壓值要求反而小，反之若Rvr值過大，則PF值和THDI值差，但是對 MOS電壓要求低而二極管耐壓則相對要求高，過度要求Rvr值對系統安全和器件優化選擇是不利的，要從優化系統性能與成本的角度出發去選擇N值。

允許MOS關斷電壓、二極管反向電壓、匝數比N三者之間存在直接關聯，圖7是一個設計案例中得到的三者關聯仿真圖（設計交流輸入最大265 V，直流輸出50 V）。如圖7所示：按照器件的最佳性價比，推薦器件的選擇區域和變壓器的匝數比為圖中陰影部分是比較理想的。

圖5 功率因數仿真曲線圖

圖6 諧波失真度仿真曲線圖

圖7 功率器件參數選擇圖

2 單級AC／DC主要參數設計

在單級AC／DC的設計中，儲能電感、變壓器規格、氣隙長度等參數的選擇直接影響驅動電源的性能參數，本文通過理論計算和經驗判斷相結合，得出合適的參數。

（1）儲能電感值LP確定

最低頻率取50 k Hz，最大導通時間取10μs。

（2）變壓器參數規格

DC／DC單級反激式變壓器的功率容量乘積表達式：

式中，P為輸入功率，單位W；f為工作頻率，單位Hz；△B為工作磁通密度，單位GS；Km為窗口填充系數；δ為電流密度，單位A／c m2；△T為開關管導通時間，單位s。

理論計算得出來的AP值還要增加相應余量才能作為正確的取值，此時經驗判斷在應用中比較重要，由于磁材廠家在這方面有非常好的經驗數據，因此，選取變壓器只要在設計時確定電路參數如頻率、功率等，就可以方便快速地從變壓器廠家的規格推薦表中選取所需的型號。

本設計：輸出功率75 W，最低頻率65 k Hz，根據TDK規格書，選取PQ3230。

（3）氣隙的確定

根據如下儲能公式確定氣隙長度Lg。

式中，Ae為170 mm2，Bm取1 950 GS，則計算出Lg為0.35 mm，但在實際設計時會有10%的誤差，可以實際修正。

（4）由氣隙確定變壓器的AL值

由于磁芯規格和氣隙已確定，可以通過給磁芯繞一定的匝數來確定AL值。

（5）初級匝數n

根據：Lm＝ALn2

本設計：取55匝。

（6）根據允許的紋波電壓，確定輸出濾波電容

本設計：取3 000μF／100 V。

（7）匝數比N取值

由上面的仿真圖和經驗數據，兼顧功率器件特別是系統特性指標的性價比，本設計案例Rvr可以取值2，根據反射電壓公式得出N值為2，Rvr確定后，查曲線可得PF值大約為0.95，T HDI≤20% 左右，這對于小功率的直流供應器來說是很好的指標，優于目前國內外各種標準要求。

（8）功率開關器件MOS與二極管的確定

當N值、漏感確定、輸出電壓確定后，反射電壓、漏抗引起的反峰電壓就能確定，則確定MOS、二極管等耐壓值就很容易算出；根據功率規格，計算出電流大小，則確定MOS、二極管電流值就很容易算出。

本例：MOS電壓要求等于輸入市電峰值電壓＋反射電壓＋漏感引起的反向電壓，則取：11 A，800 V，型號：SDA11 NS0C3二極管 Diode取：20 A，200 V，型號：MBR20200CTG。

3 實驗驗證

按照以上的參數設計，本文提出的LED驅動電源通過小批量試驗和批量生產，產品性能穩定、可靠性好。典型試驗波形如圖8、圖9所示，T HDI＝16.9%，實測PF＝0.967，由于采用BCM模式，出現了電流紋波，但對電源綜合性能影響不大。產品經國家LED質檢中心檢驗，各項技術指標都優于相關國家標準要求。其中，電源效率大于90%，達到能效1級；功率因數大于0.95，符合能源之星規范限值要求；諧波電流符合國 家 強 制 性 標 準 GB17625.1－2003／IEC61000－3－2：2001限值要求；傳導騷擾和輻射騷擾符合國家強制性標準GB17743－2007限值要求。

圖8 輸入電流的諧波含量

圖9 市電（全橋整流后）與輸入電流

4 結 論

高性價比、高效率LED技術的日新月異，LED照明也得以快速發展；相應的照明工程需要兼顧系統能效、功率因素、諧波電流等多種因素，這就要求其選擇合適的LED驅動電源解決方案。為此，本文提出采用臨界模式（boundary mode）的AC／DC單級反激式的電源拓撲，通過理論計算和經驗分析確定合理的變換參數，設計了一種高功率因數、低諧波電流的高效LED驅動電源。該驅動電源同時還具有主開關MOS管實現低電壓零電流導通，整流二極管實現零電流關斷并避開其負面的反向恢復特性，可以顯著提高其工作效率、降低損耗和減小系統電磁干擾。通過實驗驗證和批量生產證明本方案設計合理、產品性能穩定、可靠性好，有效提高能效、避免建筑物內高次諧波電流造成的電源環境污染，適合批量生產，對于LED照明驅動電源、其它電源供應器廠家和電源設計者具有很好的參考價值。

［1］ FAIRCHILD.A High Power Factor Flyback with Constant Current Output for LED Lighting Applications［Z］.美國仙童公司技術手冊，2010.

［2］ 謝沐田.高低頻變壓器設計［Z］.臺灣全華科技圖書股份有限公司，2002.

［3］ 陳一逢.高性能軟開關功率因數較正電路的設計［J］.電源技術應用，2004，59（1）：35－37.