基于IW3623高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

付賢松 郭娜娜 李洪超 王 婷 李圓圓 任賀宇

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300387 2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387 3.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

1 引言

為了減少電子設(shè)備對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，越來(lái)越多的國(guó)家對(duì)用電設(shè)備的輸入電流諧波含量加以限制，提出了很多限制輸入電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)對(duì)此也是越來(lái)越重視。采用 PFC技術(shù)的電源能有效減少LED照明設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，所以高功率因數(shù)LED電源是發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。

2 PFC電路及變壓器設(shè)計(jì)

基于降低電路成本和縮小電路體積的一個(gè)原則，這款電源的主要技術(shù)指標(biāo)：寬范圍交流輸入電壓85～264V，輸出恒流700mA，輸出功率35W，效率高達(dá)85%，功率因數(shù)大于95%。

2.1 有源PFC電路設(shè)計(jì)

這款電源采用有源PFC技術(shù)來(lái)提高功率因數(shù)，限制輸入電流的諧波失真[3]。有源PFC的工作原理是通過(guò)控制電路使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，從而把脈沖形狀的輸入電流波形正弦化，并與輸入電壓波形同步[4]。本次設(shè)計(jì)的PFC電路如圖 1所示。

圖1 有源PFC電路Fig.1 Active PFC circuit

此款電源的PFC電路采用雙級(jí)有源PFC電路，與傳統(tǒng)的雙級(jí)電路相比做了些改進(jìn)：首先，以低成本的雙極型晶體管替換價(jià)格較高的場(chǎng)效應(yīng)晶體管；其次，PFC控制芯片集成在主芯片內(nèi)部，使得整個(gè)電源只需要一塊控制芯片，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了電路成本[5]。電路中的升壓電感

電源一次側(cè)最大峰值電流為1.09A，最大電壓為385V，考慮一定的安全裕量，論文選擇通用額定值為4A/1 000V的NPN型雙極型晶體管D13005ED作為開關(guān)管。二極管選用2A/600V的超快速整流二極管ER206。

2.2 變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是驅(qū)動(dòng)電源中的主要器件，它起到傳輸能量、電壓變換和電氣隔離的作用。我們采用面積乘積法（AP）法來(lái)求磁心尺寸，根據(jù)AP值查表找出所對(duì)應(yīng)的磁性材料[6]。

（1）AP法求磁心

AP表示磁心的Ae（有效截面積）與Aw(窗口面積)的乘積。首先由式（2）求出視在功率PT：

式中，Po為輸出功率；η表示效率。

Ko=0.4，Kf=4.4，Bw=0.3T，fs=90kHz，鐵氧體鐵心在溫升為25o時(shí)Kj=366，x=?0.12，代入式（3）可得：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，AP約為0.298cm4。通過(guò)對(duì)比AP參數(shù)表，我們發(fā)現(xiàn) AP等于 0.312 8cm4，與計(jì)算值0.298cm4相近，所以選擇EE25/19鐵氧體磁心。

（2）變壓器匝比計(jì)算

二次輸出電壓為：

將 Uout(norm)=35V，Ufd=0.5 代入，可得 Uout≈40V。

變壓器的最大匝數(shù)比Ntr(max)[7]為：

將 Zin=5kΩ，Treset(min)=1.5μs，Uout=40V 代入，可得Ntr(max)=2.3。這里，選擇Ntr=1.5。

（3）一次繞組計(jì)算

EE25骨架最大磁通密度為Bmax=0.39T，磁心面積Ae=40mm2，變壓器的一次側(cè)匝數(shù)[8]為：

由式（7）得出一次側(cè)匝數(shù)的最小值，根據(jù)實(shí)際調(diào)試結(jié)果，選擇Npri=44匝最為合適。

（4）次級(jí)繞組計(jì)算

次級(jí)繞組Nsec為：

經(jīng)計(jì)算輔助繞組匝數(shù)Nsec為30匝。

（5）輔助繞組計(jì)算

輔助繞組Nbias為：

偏置電路中的二極管壓降Ud=0.5V，Vcc=11V，代入數(shù)據(jù)可得Nbias=8.6匝，本設(shè)計(jì)取Nbias=8匝。

（6）變壓器一次側(cè)電感量LP的計(jì)算

變壓器一次側(cè)電感量為：

式中，Z為損耗分配因子，本文中取Z=0.5。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得LP=723.53μH。

3 設(shè)計(jì)電路圖及測(cè)試結(jié)果

3.1 整體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)外圍電路的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的整體電路圖如圖2所示。

圖2 電源原理圖Fig.2 Schematic diagra m

電源的PCB版圖和電源的電路圖如圖3所示。

圖3 電源PCB圖和實(shí)物圖Fig.3 Power PCB diagram and physical diagram

3.2 PFC測(cè)試結(jié)果及分析

穩(wěn)態(tài)下輸入電壓電流波形和輸入電流諧波測(cè)試圖如圖4所示。測(cè)試工具是遠(yuǎn)方公司生產(chǎn)的LT-101A LED驅(qū)動(dòng)電源性能測(cè)試儀。

圖4 輸入電壓電流波形和輸入電流諧波Fig.4 Input voltage and current waveforms and the input current harmonic waveform

圖4(a)為輸入電壓電流波形，為方便區(qū)別，這里特別說(shuō)明一下，上面的曲線為輸入電壓曲線，下面的曲線為輸入電流曲線。從圖中可以看出，輸入電流的導(dǎo)通角和電壓的導(dǎo)通角一致，輸入電流波形完全跟隨輸入電壓波形，都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。圖4(b)是輸入電流諧波測(cè)試圖，可以看出此時(shí)輸入電流總諧波是5.1%，輸入電流3次以上諧波基本為零，總諧波失真小，完全符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 電路的總體性能測(cè)試結(jié)果分析

輸入電壓為額定電壓 220V時(shí)電源輸出測(cè)試圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 Test result

從以上數(shù)據(jù)我們可以看出，本次設(shè)計(jì)的電源輸出電壓為49.7V、電流0.702A、功率34.9W、效率89%、功率因數(shù)0.994，整體誤差控制在了3%以內(nèi)，達(dá)到了要求。

3.4 寬范圍輸入電壓與輸出參數(shù)關(guān)系

輸入電壓從 85～265V寬范圍變化時(shí)輸出電流的曲線圖如圖6所示。

圖6 電流曲線圖Fig.6 Current graph

從圖中數(shù)據(jù)我們可以看出，隨著輸入電壓的增大輸出電流平穩(wěn)地降低，沒有出現(xiàn)陡升和陡降現(xiàn)象。當(dāng)輸入電壓增大到 140V時(shí)，輸出電流趨于平穩(wěn)，電流波動(dòng)在2%以內(nèi)。

輸入電壓從 85～265V范圍變化時(shí)對(duì)應(yīng)的效率曲線圖如圖7所示。

圖7 效率曲線圖Fig.7 efficiency graph

從圖中可看出電源的效率隨輸入電壓的增大而增大，電源效率在85V時(shí)最低，其值為85%，當(dāng)電壓達(dá)到140V時(shí)效率基本保持在90%左右，滿足效率大于85%的要求。

輸入電壓從 85～265V寬范圍變化時(shí)功率因數(shù)的曲線圖如圖8所示。

圖8 功率因數(shù)曲線圖Fig.8 Power Factor graph

從圖中數(shù)據(jù)我們可以看出，電源功率因數(shù)隨輸入電壓的增加先增加后減少，在 220V時(shí)達(dá)到最大值，整體PF在0.95以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電源，對(duì)PFC電路和變壓器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算；對(duì)電源功率因數(shù)、電流諧波和整體性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的電源輸出電壓電流穩(wěn)定，功率因數(shù)大于0.95，效率大于85%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。本次設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源極大地減少了對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1] 沙占友,王彥鵬,馬洪濤.開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)電力出版,2012:221-223.

[2] 牛萍娟,付賢松,任夢(mèng)奇.高功率因數(shù)的90WLED路燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(10):200-205.

Niu Pingjuan,Fu Xiansong,Ren Mengqi.Design of high power factor 90W LED street lamp driver[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,29(10),200-205.

[3] Huang Binjuniue,Tang Chunwen,Wu Minsheng.system dynamics model of high-power LED luminaire[J].Applied hermal Engineering.2009(9):609-616.

[4] Shen Xia,Wang Hongchen,Jiang Lin.Design of high- power-factor LED driver power supply based on flyback converter[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(6):140-143.

[5] Wang Qinruo,Li Zhimin,Liu Qingxiang,et al.The design of a high power LED driver power supply without large electrolytic capacitors[J].Semiconductor Optoelectronics,2013.

[6] Shen Xia,Wang Hongchen,Jiang Lin.Design of on flyback converter[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(6):140-143.

[7] Li Y C,Chen C L.A novel single-stage-high-powerfactor AC-to-DC LED driving circuit with leakage inductance energy recycling[J].IEEE Transactions on Industrial Electron,2012,10(6):793-802.

[8] H Wu K I,Yau Y T,Lee L L.Powering LED using high-efficiency SR flyback converter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,2011,19(4):376-386.

[9] 余嬌.小功率 LED 日光燈控制器設(shè)計(jì)[D]:西安.陜西科技大學(xué),2011．

[10] Gu Linlin,Ruan Xinbo,Xu Ming,et al.Means of eliminating elec-trolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED lightings[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(5):1399-1408.