基于IW3623高功率因數LED驅動電源設計

付賢松 郭娜娜 李洪超 王 婷 李圓圓 任賀宇

（1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津 300387 2.天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387 3.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

為了減少電子設備對交流電網的諧波污染，越來越多的國家對用電設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準，而國內對此也是越來越重視。采用 PFC技術的電源能有效減少LED照明設備對電網的諧波污染，所以高功率因數LED電源是發展的必然趨勢[1-2]。

2 PFC電路及變壓器設計

基于降低電路成本和縮小電路體積的一個原則，這款電源的主要技術指標：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85%，功率因數大于95%。

2.1 有源PFC電路設計

這款電源采用有源PFC技術來提高功率因數，限制輸入電流的諧波失真[3]。有源PFC的工作原理是通過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]。本次設計的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電路采用雙級有源PFC電路，與傳統的雙級電路相比做了些改進：首先，以低成本的雙極型晶體管替換價格較高的場效應晶體管；其次，PFC控制芯片集成在主芯片內部，使得整個電源只需要一塊控制芯片，簡化了電路結構，降低了電路成本[5]。電路中的升壓電感

電源一次側最大峰值電流為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作為開關管。二極管選用2A/600V的超快速整流二極管ER206。

2.2 變壓器設計

高頻變壓器是驅動電源中的主要器件，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）法來求磁心尺寸，根據AP值查表找出所對應的磁性材料[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Kj=366，x=?0.12，代入式（3）可得：

經過計算，AP約為0.298cm4。通過對比AP參數表，我們發現 AP等于 0.312 8cm4，與計算值0.298cm4相近，所以選擇EE25/19鐵氧體磁心。

（2）變壓器匝比計算

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，變壓器的一次側匝數[8]為：

由式（7）得出一次側匝數的最小值，根據實際調試結果，選擇Npri=44匝最為合適。

（4）次級繞組計算

次級繞組Nsec為：

經計算輔助繞組匝數Nsec為30匝。

（5）輔助繞組計算

輔助繞組Nbias為：

偏置電路中的二極管壓降Ud=0.5V，Vcc=11V，代入數據可得Nbias=8.6匝，本設計取Nbias=8匝。

（6）變壓器一次側電感量LP的計算

變壓器一次側電感量為：

式中，Z為損耗分配因子，本文中取Z=0.5。代入數據計算可得LP=723.53μH。

3 設計電路圖及測試結果

3.1 整體電路設計

根據外圍電路的設計，最終設計的整體電路圖如圖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圖和實物圖Fig.3 Power PCB diagram and physical diagram

3.2 PFC測試結果及分析

穩態下輸入電壓電流波形和輸入電流諧波測試圖如圖4所示。測試工具是遠方公司生產的LT-101A LED驅動電源性能測試儀。

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，為方便區別，這里特別說明一下，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，輸入電流的導通角和電壓的導通角一致，輸入電流波形完全跟隨輸入電壓波形，都是標準的正弦波。圖4(b)是輸入電流諧波測試圖，可以看出此時輸入電流總諧波是5.1%，輸入電流3次以上諧波基本為零，總諧波失真小，完全符合設計要求。

3.3 電路的總體性能測試結果分析

輸入電壓為額定電壓 220V時電源輸出測試圖如圖5所示。

圖5 測試結果圖Fig.5 Test result

從以上數據我們可以看出，本次設計的電源輸出電壓為49.7V、電流0.702A、功率34.9W、效率89%、功率因數0.994，整體誤差控制在了3%以內，達到了要求。

3.4 寬范圍輸入電壓與輸出參數關系

輸入電壓從 85～265V寬范圍變化時輸出電流的曲線圖如圖6所示。

圖6 電流曲線圖Fig.6 Current graph

從圖中數據我們可以看出，隨著輸入電壓的增大輸出電流平穩地降低，沒有出現陡升和陡降現象。當輸入電壓增大到 140V時，輸出電流趨于平穩，電流波動在2%以內。

輸入電壓從 85～265V范圍變化時對應的效率曲線圖如圖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時最低，其值為85%，當電壓達到140V時效率基本保持在90%左右，滿足效率大于85%的要求。

輸入電壓從 85～265V寬范圍變化時功率因數的曲線圖如圖8所示。

圖8 功率因數曲線圖Fig.8 Power Factor graph

從圖中數據我們可以看出，電源功率因數隨輸入電壓的增加先增加后減少，在 220V時達到最大值，整體PF在0.95以上，滿足設計要求。

4 結論

本文設計了一款高功率因數LED驅動電源，對PFC電路和變壓器參數進行了設計和計算；對電源功率因數、電流諧波和整體性能進行了測試。結果顯示，設計的電源輸出電壓電流穩定，功率因數大于0.95，效率大于85%，達到了設計目的。本次設計的LED驅動電源極大地減少了對交流電網的諧波污染，有很強的實用價值。

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