含有PFC的LED驅動線路的改進設計

侯典立 ，張慶范 ，張 龍 ，劉 曉

（1.山東大學控制科學與工程學院，濟南 250061；2.魯東大學電子與電氣工程學院，山東 煙臺 264025）

引言

隨著LED（Light-Emitting Diode）技術的發展，大功率LED(High-Power Light-Emitting Diode)照明在能源告急的今天得到世界各國的高度重視，LED具有高效節能、無汞毒害、長壽命等優點。在所有用電設備中照明用電在發達國家達到19%，我國也達到了10%，而采用LED技術可以節電50%以上,LED控制器成為當前研究的熱點。中小功率隔離式的LED驅動器基本采用填谷式無源PFC、反激變換器的架構，這種經典架構為多種產品采用，也有多篇文獻對填谷式PFC和反激線路進行了論述，本文根據LED特性對此架構進行了描述，同時在對其原理進行描述的基礎上提出了一種新的改進填谷式功率因數校正線路，針對高亮度LED照明的應用，文章進一步闡述了更加適合于LED照明特性的反激線路及電流采樣和反饋線路，同時，通過仿真對線路的改進及性能的改善進行了驗證。

1 LED驅動方式和方案

LED電氣特性與普通二極管類似，具有正向導通、反向截止特性，當LED兩端所加正向電壓超過導通電壓時，流過LED的電流急劇增加，所以，LED驅動采用電流源驅動更為合適和容易實現。電流源根據晶體管應用特性的不同可分為線性電流源和開關電流源，線性電流源中晶體管或場效應管工作于放大狀態，特點是線路簡單，但功耗大，而開關型電流源中晶體管或場效應管工作于截止區和飽和區，故其效率較高，但線路相對復雜。所以，在極小功率、且線路要求簡單的場合采用線性電流源，本文針對中小功率LED照明應用采用開關型電流源。

開關電流源和開關電壓源類似，主要用于反饋調整脈寬所采集的信號不同，電流源根據電流調整脈寬。針對LED照明應用，對開關電流源的要求有其特殊性，由于眼睛識別頻率較低，也可以說人眼對于光線的變化的高頻具有濾波特性，即使用于驅動LED為高頻的方波非直流信號，隨著占空比變化人眼看到的LED是持續的亮度變化，而不是高頻的閃爍，所以，驅動LED可以用直流信號也可以用高頻方波信號。正是如此，調光既可以采用脈寬調制（PWM）方式，也可以采用直流調整方式，前者調光時色差變化小，但光效低，適合于對顏色變化要求高的場合，如LCD電視背光；后者相反[1]。二者在線路結構上主要是電流采樣位置的不同，通常前者采樣電流取自開關管MOSFET導通時的電流，后者電流取自濾波后直流輸出點電流，如圖2中電阻RS，因此對于普通照明系統，采用直流調整較好。因為功率不是太大，系統架構采用填谷式無源PFC、反激變換器的架構，如圖1所示。

圖1 開關式LED驅動器系統圖

2 填谷式PFC電路分析及改進

電源的功率因數校正在這些年越發得到各個國家和組織的重視，紛紛制定標準來限制用電設備對電網的污染，如國際標準IEC61000-3-2、歐洲標準EN61000-3-2。功率因數校正主要是減少無功功率，增加有功功率在功率中的比重，使得電網電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電、發電以及相關過程中的基本設備有關的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。而傳統的整流加電容濾波的線路，功率因數極低，約為0.6，諧波電流值很大,3次諧波達70%～80%(以基波為100%),總諧波失真 (THD)達120%以上。因此，需要功率因數校正電路對離線電源的輸入電流波形進行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化[2]。

圖2（a） 填谷式PFC線路

圖2(b) 增強填谷式PFC線路

圖2（c） 電源端輸入電流波形圖

功率因數校正電路有兩大類，一類是無源PFC線路，另一類則為有源PFC線路。有源功率因數校正線路是把開關模式升壓轉換器置于輸入整流器和儲能電容之間，電路能對輸入電流進行整形，以匹配輸入電壓的波形。有源PFC線路可以產生較高的功率因數，但線路復雜，主要用于功率較大的系統中。無源PFC線路相對較簡單，功耗低，無源填谷式PFC線路是一種典型的無源PFC線路，如圖2(a)所示[4]，有三個二極管,D5～D7,和兩個電容 C1，C2組成，電源輸入電流波形如圖2(c)所示。假定C1=C2=C，線路工作于三種模式，

（1）模式1：α1～α2和 β2～β1，此時，Ucmin

（2） 模式 2：α2～β2，此時，2Ucmin

（3） 模式 3：0～α1和 β1～π，， 二極管D1，D2，D3，D4和 D7截止，D5，D6導通，電源不再供電，兩個電容并聯為負載提供電流，假定電容足夠大，α1≈30°，α2接近90°。 則

式中T為電源周期，根據式（3）和設計要求選擇合適的電容。

從以上分析可以看出，增加功率因數主要從兩個方面：一方面，根據（2）式，通過增大Rs減小角度θ，減小電源電流與電壓夾角，可以增大功率因數，但影響比較小，并且犧牲了電源效率；另一方面，減小α1或增大β1，使得電流更接近于正弦波形，如此也進一步減小諧波。文獻[3]提到濾波電容不可以太大，否則功率因素降低，減小電容增大了放電時電容兩端電壓的變化，減小了 Ucmin，減小了 α1，α2角度值，但并不能改變β1，圖3（b）增強填谷式PFC線路減小α1和增大β1，進一步改善功率因數，且可以允許放電時PFC中濾波電容兩端電壓變化較小。

增強填谷式PFC線路在原來的基礎上增加了一級電容充放電線路，增加了二極管D8，D9，D10和電容C3，原理與普通填谷式PFC相似，當電源電壓值大于電容放電后電壓最小值時整流橋導通為負載供電；當電源電壓值大于電容放電后電壓最小值的三倍時，除給負載供電外，二極管D7，D9導通為電容C1，C2和C3充電；當電源電壓值小于電源幅值的三分之一時，整流二極管截止，電容C1，C2和C3分別通過二極管D5和D8，D10以及D6放電。此時，假定 電 容 足 夠 大 ，α1≈19.47°，β1≈180°-19.47°=160.53°。此時所需電容容值：

3 LED驅動的反激拓撲分析及改進

開關型恒流源拓撲結構和開關型恒壓源拓撲結構基本相同，傳統的拓撲結構也可以用于恒流源，并且各種拓撲結構的特點同樣適用于恒流源，因此，用于LED照明的小功率隔離電源采用反激拓撲比較合適，反激拓撲線路相對簡單，且濾波性能好。

圖3 反激拓撲在連續模式下等效線路圖

典型的反激拓撲如圖1所示，反激拓撲是由非隔離式拓撲BUCK-BOOST演變而來，BUCKBOOST的電感演變為變壓器[6]，因此，由于變壓器的加入使反激拓撲電壓變化范圍增大，之所以稱之為反激就是因為變壓器原邊和次邊電流并不同時流過，開關管導通時，變壓器原邊存儲能量，次邊二極管D截止，電容CO為負載供電；開關管截止時，變壓器線圈電壓反向，二極管D導通，變壓器釋放能量，為濾波電容CO和負載Z供電，反激拓撲在連續模式下的等效線路圖如圖3所示。電壓轉換比為：

圖4 反激拓撲結構

作為恒壓源輸出濾波電容并聯在負載兩端，因此并不會出現電壓的突變，但用于恒流源如果拓撲結構不變，只是改用采集電流信號與參考信號比較后經放大、調制后生成方波驅動開關管，從結構上并不能保證電流不會突變，尤其是負載為高亮度LED。由于負載LED的非線性特性，導通后施加到LED的正向電壓微小變化會帶來LED正向電流急劇變化，也意味著電流的變化對電壓的變化進行了高度放大，所以即使輸出電壓的小的紋波或過沖都有可能引起LED的不正常工作，并且發光二級管的正向電流和電壓之間存在明顯的非線性關系，干擾信號會造成電流的過沖、甚至系統的不穩定，為解決此問題應在電容CO和負載之間串聯電感，改進后的反激拓撲如圖4所示，充分利用電感電流不能突變的特性，避免LED電流的突變，同時對紋波和噪聲起到一定的過濾作用，加強了系統穩定性。由于電感LO只是對電流突變和紋波起作用，而穩態時電感兩端的壓差為0，所以把V=IRL帶入等式（5），整理可得：

4 電流采樣反饋線路

電流信號采樣通常轉化為電壓信號，大電流采用電流互感器或分流器，而對于LED電流相對較小，電流的采樣可以采用直接串聯電阻的方式，電流采樣線路如圖5所示，電阻RS采集電流信號，并把電流信號轉換為電壓信號，采樣電阻的阻值由LED電流和晶體管基極對發射極的導通電壓決定，在此電阻RS兩端的電壓經過晶體管放大驅動光耦，從而把輸出電流的大小經光耦反饋給控制芯片，進一步控制電流輸出。

圖5 電流采樣線路

5 仿真驗證

本文利用orCAD16.2軟件對上述理論進行了仿真，PFC線路、輸入電壓幅值為310 V，負載電阻為200 Ω，二極管采用1N4007，PFC濾波電容C=20 μF，且在二極管D7串聯10 Ω電阻來抑制電流過沖，電源電流測試波形和傅里葉變換分析如圖6所示。增強填谷式PFC線路減小α1和增大β1，進一步改善功率因數，同時減小了3次和5次諧波。

6 結束語

本文針對LED照明，描述了LED驅動器的控制基本機理，并闡述了填谷式PFC線路和反激拓撲線路的原理及其改進，改進后的線路在性能上得到了很大提高?；谏鲜隼碚撛O計了一款基于脈寬調制(PWM)芯片CR6848的32 W的LED控制器，輸出電流350 mA，偏差為小于2%，功率因數達到0.92，效率達到90%。該控制器已經應用于LED照明的產品中，系統長期運行穩定可靠。

[1] Georg Sauerl?nder,Dirk Hente,Harald Radermacher.Driver Electronics for LEDs[C].Industry Applications Industry Applications conference,2006,（5）： 2621-2626.

[2] 安森美半導體有限公司.功率因數校正（PFC）手冊[R].www.onsemi.com,2004,8.

[3] 蔣孝平,梁 慧.填谷式無源PFC在離線LED照明[J].燈與照明,2009,33(3).

[4] Cristian Farcas,Dorin Petreus,Emil Simion1,et al.A Novel Topology Based on Forward Converter with Passive Power Factor Correction[C].Electronics Technology,ISSE'06.29th International Spring Seminar on.2006,Page(s):268-272.

[5] Costa M A D，do Prado R N,Campos A,et al.An analysis about valley fill filters applied to electronic ballasts[C].Industrial Electronics Society,2003.IECON'03.The 29th Annual Conference of the IEEE.2004，（4）：509-514.

[6] Robert W Erickson,Dragan Maksimovie.Fundmentalof Power Electronics[M].second edition,Kluwer Academic Publisher,2004,209-218.