一種低輸出紋波的LED照明驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

孫晨琨，陳 強(qiáng)

(1.鎮(zhèn)江市消防支隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市公安消防支隊(duì)防火監(jiān)督處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

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一種低輸出紋波的LED照明驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

孫晨琨1，陳 強(qiáng)2

(1.鎮(zhèn)江市消防支隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市公安消防支隊(duì)防火監(jiān)督處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

LED照明驅(qū)動(dòng)器前級(jí)一般都需要進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)，目前常用的是單級(jí)PFC控制，單級(jí)PFC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但輸出含有大量的低頻紋波，嚴(yán)重影響了 LED驅(qū)動(dòng)器的使用壽命，因此需要對(duì)LED輸出電流紋波進(jìn)行處理。我們?cè)O(shè)計(jì)了一款8.5 W LED驅(qū)動(dòng)器，采用單級(jí)PFC結(jié)構(gòu)，并在輸出端增加有源紋波補(bǔ)償電路，分析了該驅(qū)動(dòng)器各部分電路的工作原理，并制作了樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出紋波小，效率高。

LED；照明；驅(qū)動(dòng)器；紋波；設(shè)計(jì)；電路；功率因數(shù)校正

引言

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[1-2]：光譜豐富、光譜窄、光效高，LED及其驅(qū)動(dòng)器體積小、發(fā)熱小、使用壽命長(zhǎng)；另外，LED驅(qū)動(dòng)器采用開(kāi)關(guān)電源，大大提高了電能的利用效率[3]。

由于LED光源不能直接利用電網(wǎng)提供的交流電供電，因此需要為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電源，而LED驅(qū)動(dòng)電源性能將直接決定整燈的可靠性與壽命。LED驅(qū)動(dòng)電源大都采用開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源具有體積小、效率高的巨大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于市場(chǎng)上的LED驅(qū)動(dòng)器，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了輸入端必須采用功率因數(shù)校正技術(shù)。傳統(tǒng)功率因數(shù)校正(PFC)校正電路一般采用兩級(jí)拓?fù)洌瑑杉?jí)式PFC電路拓?fù)鋸?fù)雜且成本較高，因此并不適合用于低成本小功率的LED驅(qū)動(dòng)器。近年來(lái)，單級(jí)PFC控制技術(shù)的提出，使得LED前級(jí)PFC校正結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低，但單級(jí)PFC輸出端含有大量的低頻紋波，嚴(yán)重影響LED驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。因此，針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的低紋波輸出技術(shù)的研究具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)一款8.5W恒流LED照明驅(qū)動(dòng)器，并在輸出端引入一種有源紋波補(bǔ)償電路對(duì)紋波電流進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出電流更接近理想直流。

1 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案論證

開(kāi)關(guān)電源按控制方式主要分為恒壓源與恒流源兩大類[4-5]，LED驅(qū)動(dòng)大都采用恒流控制，以保證LED的壽命與光衰。開(kāi)關(guān)電源按電路結(jié)構(gòu)可分為隔離與非隔離兩大類[6-7]。隔離型利用變壓器將電網(wǎng)與輸出隔離，保證安全；非隔離型輸入輸出端的地接在一起，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。LED燈具大部分電源為內(nèi)置結(jié)構(gòu)，如LED日光燈、球泡燈以及筒燈等，其驅(qū)動(dòng)電源都安裝在燈殼內(nèi)，且一般安裝在人觸碰不到的地方，因此驅(qū)動(dòng)器可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非隔離拓?fù)洹?/p>

對(duì)于LED電源相關(guān)機(jī)構(gòu)有一系列的安規(guī)及EMC要求，其中對(duì)輸入電流有低諧波要求，因此LED驅(qū)動(dòng)器的輸入端必須加入PFC電路[8]。帶PFC功能的驅(qū)動(dòng)器分為單級(jí)與兩級(jí)兩種結(jié)構(gòu)，單級(jí)PFC將PFC電路與DC/DC電路集成在一起；兩級(jí)式PFC變換器就是將變換器分為PFC和DC/DC兩級(jí)，它們因功率等級(jí)、成本以及控制難度等因素各有相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。在小功率、低成本的LED照明場(chǎng)合適合選擇單級(jí)PFC拓?fù)洹鹘y(tǒng)單級(jí)PFC校正需要對(duì)輸入電壓采樣，因此輸出端不可避免的產(chǎn)生大量低頻紋波，通常都在輸出端接大電解電容進(jìn)行濾波，而電解電容的壽命很短，與LED的壽命不匹配，本設(shè)計(jì)采用一種有源紋波電流補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)紋波電流進(jìn)行補(bǔ)償，使得LED驅(qū)動(dòng)器在輸出端可以不加電解電容而得到較低的紋波電流。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用非隔離型單周期控制單級(jí)PFC電路，另外，在驅(qū)動(dòng)器的輸出端設(shè)計(jì)了一種有源紋波電流補(bǔ)償電路，有效減小了電流紋波，延長(zhǎng)了驅(qū)動(dòng)器使用壽命。

2 電路主要組成部分工作原理分析

2.1 單級(jí)PFC電路原理分析

本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器電路拓?fù)渲饕奢斎隕MI濾波器、單級(jí)PFC電路、buck主電路及輸出去紋波電路組成。由于EMI濾波電路及buck電路工作原理在相關(guān)文獻(xiàn)中已有大量的研究，所以本文將不再贅述[9-10]。主要研究單級(jí)PFC及輸出去紋波電路的工作原理。傳統(tǒng)單級(jí)PFC電路工作原理如圖1所示。

圖1 單級(jí)PFC工作原理圖Fig.1 Single stage PFC working diagram

圖1中乘法器的輸入分別來(lái)自誤差放大器的輸出和整流后正弦半波的分壓，誤差放大器的輸出為驅(qū)動(dòng)器輸出反饋電壓與誤差放大器內(nèi)部基準(zhǔn)電壓之間的差值，因此乘法器輸出也是正弦半波，大部分單級(jí)PFC芯片都采用逐周期限峰值電流來(lái)控制輸出電流的平均值恒定，峰值控制原理如圖2所示，開(kāi)關(guān)管在峰值電流達(dá)到基準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉，在下一周期電流到來(lái)時(shí)開(kāi)通，周而復(fù)始產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖1中由于芯片內(nèi)部PWM比較器基準(zhǔn)端接乘法器的輸出，那么采樣電阻Rs上的電流峰值也就跟隨乘法器輸出的正弦半波變化，采樣電阻上的電流為DC/DC主電路中電感峰值電流，電感峰值電流反映了輸入電流，因此輸入電流將跟隨輸入電壓的相位變化而變化，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

圖2 峰值電感電流控制原理圖Fig.2 Peak inductor current control diagram

2.2 輸出有源紋波電流補(bǔ)償電路工作原理分析

由于單級(jí)PFC電路整流橋后面沒(méi)有大電解電容，因此開(kāi)關(guān)波形為整流后的100 Hz正弦包絡(luò)，故輸出端也會(huì)含有大量的100 Hz紋波，大的波紋嚴(yán)重影響了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。因此本設(shè)計(jì)在輸出側(cè)設(shè)計(jì)了一種有源紋波電流補(bǔ)償電路，電路如圖3所示。

圖3 有源紋波電流補(bǔ)償電路Fig.3 Active cancellation ripple circuit

電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的電感電流波形如圖4所示。電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL(t)可以看成是直流成分IL與交流成分ir(t)的疊加，即

iL(t)=IL+ir(t)

(1)

圖4 紋波電感電流及補(bǔ)償示意圖Fig.4 Ripple inductance current and compensation diagram

忽略電感電容等元件的寄生參數(shù)，運(yùn)放A1、A2由圖3中的DC電源供電設(shè)圖中電阻R1～R6阻值均為R，根據(jù)紋波檢測(cè)電壓與電感兩端電壓及紋波電流之間的關(guān)系，可以求得補(bǔ)償三極管T的集電極電流為

(2)

(3)

此時(shí)，電感電流為

(4)

由基爾霍夫電流定律可知流過(guò)LED的電流為

io=IL+IC=IP

(5)

3 主電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的輸入電壓為85～264 V(AC)全電壓范圍，輸出額定功率為8.5 W，輸出電流為80 mA。電路如圖5所示。

圖5 DC/DC主電路原理圖Fig.5 Principle diagram of main DC/DC circuit

主控芯片采用PT4240，PT4240是一款高精度的帶功率因數(shù)校正的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。圖5中輸入電壓經(jīng)整流橋和EMI濾波后通過(guò)R1、R2、R3給電容C3充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到芯片VCC開(kāi)啟電壓時(shí)芯片開(kāi)始工作。電路正常工作后輸出電壓通過(guò)二極管D2和電阻R7、R8給電容C3充電維持VCC正常工作，為了降低功耗電阻R1、R2、R3取值不能太小，這里阻值取430 k。電容Ci為輸入濾波電容，為了保證電路具有高的PFC值電容值不能取得太大，這里選擇0.22 μF的CBB薄膜電容。芯片的1腳為電壓補(bǔ)償端，接在該引腳的電容一般選擇0.1 μFCBB電容。芯片2腳為電壓反饋端，該腳檢測(cè)電感電流過(guò)流并監(jiān)測(cè)OVP過(guò)壓點(diǎn)，電阻R4和R9為分壓電阻，R9選擇20 k,R4選擇470 k。芯片3腳為VCC供電腳，接在該腳的電容C2需要能夠提供足夠的能量保持VCC的正常工作，這里選取2.2 μF的鋁電解電容。芯片4腳為電流采樣端，接在該腳的電阻Rcs可按式(6)選取：

(6)

式中Uref為芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，典型值為200 mA，Iout為L(zhǎng)ED輸出電流。代入數(shù)據(jù)可得RCS=2.5 Ω，為了提高采樣精度這里選擇兩只5.1 Ω的電阻R5和R6并聯(lián)。

電感L的取值可按式(7)計(jì)算：

(7)

式中Uimax為最大輸入電壓，Uo為輸出電壓，Ton為開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間，PT4240芯片為固定開(kāi)通時(shí)間15 μs，ΔI為輸出紋波電流峰峰值，假設(shè)輸出紋波電流峰峰值為40 mA則帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得L≤59 mH，設(shè)計(jì)時(shí)取為28 mH的電感。由于輸出端采用了有源紋波補(bǔ)償，因此輸出端可以選擇較小容量的鋁電解電容，甚至可以不用電解電容。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)理論分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的樣機(jī)。圖6(a)為輸入端電壓、電流波形，從圖中可以看出輸入電流很好的跟隨了輸入電壓的相位，具有高的PF值。圖6(b)為芯片內(nèi)置MOS管的漏源極電壓波形，為一典型的饅頭波。圖6(c)為不加去紋波電路時(shí)輸出電流波形，圖6(d)為加上紋波補(bǔ)償電路后的輸出電流波形，從圖6(c)和(d)可以看出加上紋波補(bǔ)償電路后LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流紋波大大降低了。用該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)帶16顆LED燈珠的球泡燈光輸出效果好，無(wú)頻閃，很適用于家庭照明燈具。

圖6 電路主要實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Main experimental waveform of circuit

5 結(jié)束語(yǔ)

LED照明驅(qū)動(dòng)器的壽命很大程度上取決于輸出端的電流紋波大小，在輸出端采用無(wú)電解的方案將大大增加LED的使用壽命。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款低紋波輸出的帶單級(jí)PFC功能的非隔離恒流驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)很高的恒流精度，并具有極低的電流紋波。將該驅(qū)動(dòng)器用于LED驅(qū)動(dòng)大大增加了LED的可靠性與壽命，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。

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Design of A LED Lighting Driver with Low Output Ripple

SUN Chenkun1, CHEN Qiang2

(1.Fire Brigade of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China; 2.Public Security Fire Brigade Fire Supervision Department of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China)

In general, the preceding stage of the LED lighting driver needs the power factor correction. Because of its simple structure, the single level PFC is used to correct the power factor. However, the output contains a lot of low ripple, which seriously affect the life of the LED driver. We need to dispose the LED output current ripple, due to the disadvantage of the single level PFC. In this paper, we design a 8.5 W LED driver, which uses a single stage PFC structure, and the active ripple compensation circuit is added in the output end.The working principle of each part of the drive circuit is analyzed, the prototype is made and the experiment is carried out. Experiment results show that the designed LED driver topology is simple, the output ripple is small and the efficiency is high

LED；lighting；driver；ripple；design；circuit；PFC

國(guó)家自然基金委專項(xiàng)(項(xiàng)目號(hào)：11347219)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.021