一種兩級式LED恒流驅動電源設計

胡國珍　馬學軍　陸小洲　彭劍

摘 要：根據LED驅動電源設計要求，對設計方案進行合理論證，前級功率因素校正采用升壓型斬波電路，控制芯片采用仙童公司的FAN7527，后級采用隔離式單端反激電路實現降壓型DC/DC變換，控制芯片為TI公司的UC3843；此外為滿足LED驅動電源恒流輸出特性，設計中采用AP4310設計一個恒流限壓控制器?；谝陨辖Y構，完成一款實驗樣機，通過測試和分析，實驗波形與理論波形基本一致，完成本次設計要求的性能指標。

關鍵詞：LED DC/DC變換；功率因素；UC3843；恒流

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A

Abstract：According to the design requirements of LED Current drirer， this design plan for a reasonable argument. The first stage power of factor correction adopted boost chopper circuit and its control chip is Fairchild's FAN7527. Isolated singleended flyback circuit buck type DC/DC converter was used as the second stage and its controller chips is TI's UC3843. In addition， to meet the output characteristics of constant current ，AP4310 was designed as constant current controller. Based on the above structure， experimental prototype of LED driver was realized. Through testing and analysis， experimental waveforms were consistent with the theoretical waveform and the proposed LED driver meets the design requirements.

Key words：LED DC / DC conversion；power factor correction；UC3843；constant current

1 引 言

近年來，能源危機使世界各國開始關注綠色節能照明問題，新型光源也應運而生。發光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）具有高效、節能、無污染、模擬自然光等優點，在最近幾年得到快速發展，逐漸成為照明市場的主流，世界各國政府和公司已投入大量資金用于白光LED的開發和推廣。LED主要可應用于信號指示、裝飾照明、景觀照明，家具照明、路燈等，不同應用場合的照明必須設計對應的驅動電源才能滿足需求[1-3]。

由于LED自身的伏安特性及溫度特性，對驅動電源的要求非常高，必須研發可靠、穩定的驅動器與之匹配[4-5]。通常，對于LED驅動器的基本要求有：高功率因素（Power Factor Corrector，PFC），高效率，恒流控制等，本文選用最新應用控制芯片，通過合理的外圍電路設計，完成了一款LED驅動電源。

2 方案論證

LED驅動電源設計中，通常采用橋式整流和電解電容濾波電路來實現AC/DC變換，為下級變換器提供直流電。由于整流二極管具有單向導電性，只有在正向偏置時才會導通，也就是交流輸入電壓的半個周期中，只有交流電壓峰值高于電解電容電壓整流二極管才會導通。因此，在交流電壓的半個周期內，每對二極管的導通角往往只有60o-70o。雖然交流輸入電壓仍然能保持正弦，但輸入電流卻出現嚴重畸變，呈幅度很高的尖峰狀脈沖，從而導致系統功率因素很低，一般僅有0.5-0.6，影響電源的利用率，對電能造成巨大浪費。此外，輸入端產生的諧波電流也會對電網造成污染，影響電能質量和供電品質，同時也會對系統中其它電子設備產生干擾[6]。

美國能源部于2008年10月發布的固態照明光源“能源之星”規范要求：任何功率等驅動電源都需要強制進行功率因數校正；住宅應用LED燈具的功率因素>0.7，商業用LED燈具的功率因素>0.9。因此在本設計中首先應考慮功率因素校正環節。典型功率因素校正方式有無源PFC和有源PFC兩種類型。無源PFC電路只使用二極管、電阻、電容和電感等無源元件，拓撲簡單、成本低，但功率因素校正效果較差。實際LED驅動電源中較多采用有源PFC，有源功率因素校正技術是利用集成電路使電流波形主動跟隨電壓波形從而達到功率因素校正的目的，按電路拓撲結構可以分成降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式四種，本文選用比較成熟的是Boost升壓式電路結構。

在直流供電方面，LED驅動電源按照驅動方式主要可以分為四類：電阻限流控制、線性控制、電荷泵變換器以及開關變換器等。開關變換器效率高、控制精準，可以實現寬范圍的電壓/電流控制，非常適合大功率多串式LED 的控制。其中典型降壓型DC/DC變換有：非隔離降壓型（Buck）、反激式拓撲、半橋拓撲。非隔離降壓型一般應用在1-10W場合；反激式一般用在25W-100W左右場合；100W以上一般選用半橋拓撲，本文根據功率等級選擇反激式隔離降壓變換器[6]。

此外，為了保證LED光源穩定性及可調性，需要了解其基本電氣特性，如圖1所示為LED光通量與其正向電流、正向電壓的關系曲線[7]。從圖中可看到，LED的光通量僅取決于驅動電流的大小，LED 兩端的電壓近似為恒值。由此可知，LED 需要采用恒流控制，通過調節電流大小來調節 LED 的輸出光通量。

3.1 PFC電路設計

PFC電路設計采用了升壓型斬波電路，控制環節主要由仙童公司功率因素校正控制芯片FAN7527完成，電路設計如圖3所示。輸出電壓經R4、R5電阻分壓進入1號腳，芯片內部調節器輸出與3腳輸入的半波電壓瞬時值相乘，乘法器輸出作為電感參考電流指令，與4腳輸入電流瞬時值比較，當輸入電流值大于乘法器輸出時，輸出電平翻轉，RS觸發器置“0”，該電平由7腳輸出，關斷開關管。因此，乘法器輸出電流即為通過開關管的電流的門限值，該門限值隨輸入電壓的變化而近似呈正弦規律變化。當開光管關斷后，變壓器L2電流慢慢減小，當電流接近零時，又導致引腳5過零比較器的輸出翻轉，將RS觸發器置“1”，開關管導通，電感電流增大。重復上面的過程，電流波形接近正弦波，從而達到功率因素校正的目的。

3.2 DC/DC直流變換電路設計

本級設計選用UC3843作為控制芯片，UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器，具有可微調的振蕩器、精確的占空比控制、高增益誤差放大器、大電流圖騰式輸出等優點，專為反激式DC/DC變換器應用而設置，只需很少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案，其外圍電路設計如圖4所示。變換器開關頻率由R9、C12決定。反饋信號通過電阻R10、R11進入2腳，通過芯片內容高增益誤差放大器構成控制環節，調節6腳輸出占空比大小。開關管電流通過R13進行采樣進入引腳3，當流過開關管電流超過給定值時，關斷開關管。

3.3 恒流限壓控制電路設計

如前所述，LED驅動電源必須采用恒流方式。恒流控制的方式很多，此處主要利用AP4310作為主控芯片，來實現恒流限壓輸出，AP4310內部結構主要是由2個運放組成，如圖5所示。AP4310的3號引腳自帶一個2.5V的基準電壓（第一個運放的正向輸入端），通過R20、R21輸出電壓采樣反向輸入端（2號引腳），該運放構成電壓控制環，當方向輸入電壓過2.5V，輸出端為低，這樣反饋信號從光耦通過二極管D8到運放1的輸出端，從而實現限壓功能。同理，運放2用于調節電流，其同相端的參考電壓值由R22、R23決定，反向輸入端為從R16采樣電流反饋的電壓值，當過流時，其反相端電壓超過同相，運放輸出低電位，從而使光耦通過二極管D9導通，反饋到開關模塊進行調節電流。

4 實驗測試

根據以上設計電路，在實驗室制作了一款LED驅動電源，實物圖片如圖6所示。

功率因素校正部分實驗結果如圖7和圖8所示。圖7為PFC電路電感電流和PWM驅動波形，圖8 PFC電路電感電流和輸出交流電壓波形，通過圖中可看出輸入電流呈正弦，與輸入電壓相位接近，系統功率因素較整流電路有較大提高。

后級反激式DC/DC電路波形如圖9和圖10所示。圖9中頻率為71KHZ，占空比為36.49%。圖8為樣機輸出電壓和電流波形。

從以上波形可看出，設計的LED 驅動電源能較好的完成功率因素校正和恒流輸出驅動LED發光的功能。

5 總 結

本次設計根據LED的驅動電源設計要求和，對從功率因素和電路能量變換角度確定了電路拓撲結構；在此基礎上，設計了一款高功率因素的LED恒流驅動電源，通過實驗驗證了LED驅動電路的有效性。

參考文獻

[1] 楊清德，康婭. LED及其工程應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 毛興武，毛涵月，王佳寧. LED照明驅動電源與燈具設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 沈霞、王洪誠、蔣林.基于反激變化器的高功率因素LED驅動電源的設計[J].電力自動化設備，2011，3（1）：40-46.

[4] 房滕.90WLED驅動器的設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2010.

[5] Beibei Wang， Xinbo Ruan， Kai Yao， and Ming Xu， A Method of Reducing the PeaktoAverage Ratio of LED Current for Electrolytic CapacitorLess ACDC Drivers[J].VOL. 25， NO. 3， MARCH 2010.

[6] 裴云慶，王兆安.開關穩壓電源的設計和應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[7] 王舒.無頻閃無電解電容 LED驅動電源研究[D].南京：南京航空航天大學碩士學位論文，2011.3.