高功率因子低紋波LED驅動電源

田勇等

摘 要：針對現今LED驅動電源功率因子低導致效率低，輸出紋波大導致LED燈頻閃嚴重的問題，研制了一種高功率因子低紋波LED驅動電源。該電源由基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST電路和兩路并聯的BUCK電路組成，實現對功率因子的校正和降低紋波功能，從而提高了LED驅動電源的效率并增加了其使用壽命。測試結果表明該LED驅動電源功率因子高達0.998、效率高達87.8%，最大紋波只有1%。

關鍵詞：LED；低紋波

隨著社會的不斷發展，LED的需求量越來越大，綠色節能照明已經成為世界各國關注的重要問題，LED的驅動電源便成了關注熱點。LED 驅動電源需要具有高功率因數、低紋波、高效率、長壽命等優點[1-2]，但現今的LED驅動電源基本無法同時滿足以上要求，因此研究并設計出高功率因素低紋波LED驅動電源成為必要。在開關電源中，為了使輸出紋波盡量小，會使用大電解電容進行濾波，電解電容又是制約 LED 驅動電源壽命的主要因素，因此降低輸出電流的紋波可以減小LED燈的頻閃、增加驅動電源的壽命。由于LED屬于感性負載，會拉低交流側的功率因子，而功率因子低不僅會使電網電流波形發生畸變，也會浪費大量的電能。綜上所述，降低紋波和功率因素校正是研究的重點與難點。

近年來，隨著LED燈的需求量不斷增大，國內外對LED驅動電源的研究十分重視，文獻[3] 提出了一種帶過溫保護功能的 LED 恒流驅動電路設計，該設計由恒流驅動模塊和溫度傳感模塊組成。在 LED 電源電壓正負變化 10%范圍內，驅動電流變化小于 5%，缺點是效率不高。文獻[4]提出了一種基于MP4021的LED 照明驅動電源設計，該設計主要分為電磁干擾（EMI）濾波電路、PFC電路、DC/DC變換器3 部分，電路中采用MP4021 作為電源驅動芯片，使用反激變換器來實現 DC/DC 轉換。該電路整機效率達到0.83，功率因數高達到0.96，缺點是系統效率不高。文獻[5]提出了基于反激變換器的高功率因數 LED 驅動電源設計，該電源是采用反激電路為主電路的單級 PFC 電路，能同時實現 PFC 和 LED 電流控制，功率因數都在0.96 以上，并且整個 LED驅動電源的效率高達 86.85 %，該方案的缺點是輸出電流紋波大。

針對上述，本文提出一種高功率因子、低紋波的LED驅動電源，該電源由基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST電路和兩路BUCK電路并聯組成，提高了功率因子和工作效率，降低了電流紋波。以STM32單片機為主控模塊實現恒流穩壓控制。

1.高功率因子、低紋波LED驅動電源工作原理

總體來說，分為對功率因數矯正的AC-DC電路，和降低電流紋波的DC-DC電路。單片機通過PWM定時器產生相位相差180度的兩路PWM波，經驅動模塊驅動后控制兩路并聯的BUCK電路，市電經變壓整流后給BOOST電路供電，有源PFC芯片UCC28019對變壓整流后的電流電壓信號以及BOOST電路輸出電壓信號進行采樣后輸出PWM信號控制BOOST電路用于矯正功率因素，BOOST電路的輸出給DC-DC電路提供電壓，DC-DC電路由兩路并聯的BUCK電路組成，DC-DC電路經濾波后給負載通電，單片機通過對負載的電路電流信號進行采集，經計算和判斷后通過PWM定時器及時控制PWM波的輸出，以保證驅動電源恒流輸出。

2.主電路設計

主電路主要由基于UCC28019的BOOST電路和兩路并聯的BUCK電路組成。

2.1 功率因子校正原理與實現

功率因子校正是基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST電路實現，UCC28019是美國TI公司最新的有源功率因數校正（PFC）芯片。該芯片采用電壓外環和電流內環的雙環控制，來實現功率因子的校正和電壓的穩定輸出，其中電流內環的作用是控制網側輸入電流的波形和相位，使輸入電流波形畸變小、功率因數高；電壓外環的作用是控制輸入電流的幅值，以使輸出直流電壓在各種擾動下保持期望值。該芯片內部振蕩頻率固定為 65kHz，具有峰值電流限制、軟過流保護、開環檢測、輸入掉電保護、輸出過壓/欠壓保護等眾多系統保護功能。

2.2 降低紋波的原理與實現

采用兩路BUCK電路并聯的拓撲結構實現低紋波輸出。

由STM32單片機的PWM波定時器輸出兩路占空比相等相位相差180°的PWM波，后經PWM波驅動芯片IR2104增加驅動能力作為驅動兩路BUCK電路的控制信號，控制開關管CSD19536的通斷，對后級儲能電感L1、L2進行充放電。

為提高系統效率，上述的兩路BUCK電路都為同步BUCK[6]拓撲結構，同步BUCK是由兩個開關管組成，其中一個開關管起到了異步BUCK中的二極管的續流作用，但功耗會小于二極管，同步BUCK的兩個開關管需要兩路相位相反帶死區的PWM波所驅動，而上述所說的驅動芯片IR2104具有一路PWM波輸入，兩路相位相反帶死區的PWM波輸出的特點。

3.系統軟件設計

本設計將用控制芯片STM32單片機對驅動電源進行恒流控制。程序流程描述如下：當系統上電，首先對系統進行初始化處理，電流初始值I_Set為0.5A，等待按鍵輸入，若有按鍵輸入，則記錄按鍵值并更新Set_I；若沒有按鍵輸入，對輸出電流進行采樣判斷是否過流，若是，則斷開繼電器進行保護，若沒有過流則與設定電流比較，若不等，則控制PWM波的占空比進行調整，實現恒流輸出。

4.實驗結果與分析

為了驗證所提出的LED驅動電路的正確性，在實驗室搭建了一臺原理樣機，交流輸入電壓為18V/50HZ，負載采用20個LED串聯，額定功率20W。 因LED燈管的額定功率為20W，只進行了在其周圍小范圍內測試。測量結果如表 1 所示。

5.結論

本文設計了一種高功率因子、低紋波的LED驅動電源，采用基于UCC28019的功率因素校正電路及兩路BUCK電路并聯的拓撲結構，與以往LED驅動電源相比，此電源最大的優點就是能同時具有高功率因子、低紋波、高效率的特點。

該LED驅動電源的功率因子都在0.997以上，整機效率高達87.8%，紋波電流都在輸出的1%以下。

參考文獻

[1]Narendran N，Gu Y.Life of LED-based white lightsources[J].Journal of Display Technology，2005，1（1）：167-171.

[2]廖忐凌，阮新波. 半導體照明工程的現狀與發展趨勢[J]. 電工技術學報，2006，21（9）： 10 6-111.

[3]李祥，曾以成，石合地. 帶過溫保護功能的 LED 恒流驅動電路設計[J]. 電路與系統學報，2013，18（2）： 108-111.

[4]安覓，劉伊莎，夏晨陽. 基于MP4021的LED 照明驅動電源設計[J]. 電力電子技術，2013，47（12）： 33-35.

[5]沈霞，王洪誠，蔣林，許瑾，方瑋. 基于反激變換器的高功率因數 LED 驅動電源設計[J]. 電力自動化設備，2011，31（6）： 140-143.

[6]陳亞愛，李衛海，周京華. 同步BUCK變換器的控制技術綜述[J]. 電力電子技術，2010，29（28）： 32-36.

[7]代軍，蘇婭芳，張雪. PID 算法及其演變[J]. 遼寧省交通高等專科學校學報，2003，5（3）： 43-45.