基于PFC變換器的小功率 LED驅動電源設計

呂昕 阮黎君 西安鐵路職業技術學院

相對于傳統光源,LED的照明解決方案更加高效環保，出于保護能源和應對全球氣候變暖的考慮, 越來越多的國家投身到LED研究的熱潮當中。當前LED的研究熱點集中LED代替熒光燈的室內應用和以路燈代表的室外應用。目前絕大多數的LED采用直流驅動，因此在市電與 LED之間需要加一個電源適配器，即LED 驅動電源。它的功能是把交流市電轉換成適合LED的直流電壓。

近20年來，迅猛發展的電力電子技術使大量的直流開關電源更加廣泛地應用在計算機、通信設備、電力系統、家電、郵電、金融、艦船、飛機等領域， 老式的笨重、低效電源被眾多輕巧、高性能新電源所替代。但直到現在，，許多中小功率電源產品為了降低成本而競相壓價,不用功率因數校正器PFC，模糊技術指標，以低價格或回扣來競爭市場。

用杭州遠方儀器廠的PF9811智能電量測量儀測量一臺小功率開關電源時，電源功率因數值為PF=0.794，輸入功率 Pin=69.3W，輸入電壓 AC=230.8V，輸入電流Iin=0.375A。測量打印單給出：電壓總諧波 4.3%，電流總諧波 67.8%。

諧波電流污染的兩大危害可概括為：(1）增大了穩壓電源本身的輸入損耗，無功損耗過大，降低整機效率，使交流電網一側的功率因數值PF下降。(2）電流脈沖變成了非正弦波的窄脈沖，因而在電網輸入接口端產生失真很大的諧波尖峰分量，它會從輸電線輻射出去而污染電網，對鄰近的電子設備的穩定工作產生嚴重的電磁干擾。

美國能源部制定及發布了針對固態照明燈具的“能源之星”標準，對功率因數的描要求是住宅應用的PF大于0.7，商業應用的PF大于0.9。功率因數校正是十幾年電源技術研究的重大領域，通過在電路上采取措施，讓電源輸入電流實現正弦化，也就是使諧波為零，并與輸入電壓保持同相位，實現功率因數PF=1的理想目標。

高頻有源功率因數校正技術，如圖1所示，是抑制電網交流輸入諧波電流污染的最佳方法。即在交流電網輸入經整流之后，先不接大容量的電容器，而是插入PFC電路隔離開，即串聯儲能電感和升壓二極管、并接MOSFET開關管和專用控制集成電路，然后再接大電容器濾波。這就把傳統開關電源嚴重失真的輸入電流波形校正為近似正弦波形，并且與輸入電壓同相位，從而抑制了嚴重的諧波干擾，使功率因數值升到0.99左右。

高頻有源功率因數校正技術是通過相應的一個或者兩個反饋控制電路，使輸入電流平均值能自動跟隨全波整流電壓基準并維持直流輸出電壓穩定。PFC電路使變換器的輸入電流與輸入電壓波形均為正弦波形，并把兩者校正成相位相同，它的作用可看成把變換器電路作為一個純電阻器，故也稱之為“電阻仿真器”。有源PFC技術由于變換器工作在高頻開關狀態，從而具有體積小、重量輕、效率較高和功率因數高等優點。

L6562A是ST公司PFC產品系列的最新器件，主要是應用于TCM的功率因數校正電路，由內部電源、零電流與過電流比較器、誤差放大器、PWM比較器、邏輯電路及驅動輸出級等單元組成。L6562A的主要特點：乘法器內置THD優化電路，以減小過零點失真，降低THD值；極低啟動電流(典型值30uA，保證60uA以下)，可降低芯片功耗；內部參考電壓于25℃時誤差率在1%以內；使能功能，可將系統關閉，降低損耗，兩級的過電壓保護、內部啟動及零電流偵測功能；在電流偵測輸入端內置數字RC濾波器，簡化外圍電路。800mA的圖騰級輸出，可用于直接驅動Power MOSFET。

圖2為基于L6562A的APFC開關電源原理圖。接通電源時，電網交流電壓經整流橋整流輸出正弦半波直流脈動電壓，通過R1給芯片一個啟動電流，芯片開始工作。正常工作時芯片由與升壓電感稠合線圈供電。IC腳7輸出PWM脈沖驅動Q1，控制Ql的通斷。直流輸出電壓經電阻分壓器采樣輸入到IC誤差放大器的反相端腳1，與2.5 V的基準電壓比較放大，作為乘法器的輸入。同時電源電壓經R1、R2、R3分壓，于腳3得到一正弦半波電壓，為乘法器的另一輸入源，這兩個電壓經乘法器乘積后，可得一正弦半波參考電壓。當Ql導通時，PFC電感電流依di/dt斜率上升，流經R10，經腳4與正弦參考電壓做比較，當腳4電壓達到正弦幅值，Q1截止。PFC電感藕合線圈除了提供L6562A工作電源外，另提供開關管導通所需要的零電流ZCD檢測信號。當Q1截止時，PFC電感極性反轉，藕合線圈為正電位，提供芯片工作電源與腳5(ZCD)的參考電位。當PFC電感能量釋放完畢時，藕合線圈的電壓也減小，所以腳5的電壓隨之下降。由于ZCD內部電路為負邊沿觸發，在下降至0.7 V以下時，芯片輸出高電平，使Q導通。因此，經校正輸出平均電流波形為一完整的正弦波，且其相位與交流輸入電源同相。

圖2 基于L6562A的APFC開關電源原理圖

經過調試測驗驗證，在異常情況下，如過壓、過溫、開路、短路等情況下，能有效的對自身進行保護,并且該設計針對關鍵的器件進行了可靠性設計，從而有效延長LED燈的使用壽命,該產品具有較高的效率和功率因數。