浅谈如何执行高功率因数的LED驱动器设计

了满足能源之星和IEC（国际电工委员会的简称）相关要求，早期大多设计者采用被动填谷方式来提高输入功率因数，大致电路结构如下图3.1所示：

　　图3.1：填谷式结构线路图和仿真结果

　　元件C1，D5，C2，D7，D6组成主要填谷电路，每个周期内交流电经由桥堆D1~D4整流后，给C1，C2串联着充电，D6防止C2反经过C1放电，C1，C2的充满的电荷经由D7，D5并连着放电。图3右侧是电路输入电流的仿真结果，能观察到每个周期的输入线电流从30°到150°和210°和330°角度内连续变化，而150°到210°和330°到360°角度内不连续变化，大多电流的畸变都是在这些不连续的时间内发生，如果减少这些畸变，会进一步提高谐波性能。仿真图看到每个正负周期内有一个高的电流尖峰，这也是造成电流畸变的因数之一，可以通过其它元件来抑制这个尖峰，但在大功率应用里，需要平衡好效率和发热方面的问题。

　　3.2 实验测试填谷式驱动器的功率因数

　　在常规的BUCK结构上增加了上面介绍的被动式填谷电路，这里的元件分别是C1，C2，D2，D3，D4和R2组成，电阻R2可以改帮助改善谐波电流，降低图3.1仿真结果上的最大电流尖峰，实验中主控制降压芯片用恩智浦公司的SSL21084产品，SSL21084只是把主开关管集成到芯片内部，开关控制方式与SSL2109是完全一样的，具体线路如图3.2-1所示：

　　图3.2-1：填谷式降压结构线路和测试结果

　　图3.2-1右侧是20W的LED驱动器的测试结果，采用被动式填谷电路后，当输入电压从200V到265V内变化时，功率因数PF已经从原来的0.6提高到了0.9以上，效率也能达到92%，所以在提高功率因数的同时，效率没有明显的降低。图3.2-2是输入电压和输入电流的波形图，绿色通道是输入电压波形，浅蓝色通道是输入电流波形，很明显虽然功率因数提高了，但输入电流波形还是有畸变的，所以总谐波因数不是很好，测试数据显示总电流谐波在38%，如图3.2-2右侧谐波测试数据所示，第3，5，7，9次奇次谐波值还是非常高。

　　图3.2-2：填谷降压式结构测试波形和谐波结果

　　4 主动式LED驱动器

　　主动式功率因数校正的方式和特点

　　主动式功率因数校正常规上采用两极拓扑来实现，前级用升压电路结构，后级直流转换部分用隔离反激式结构，如图4.1示，功率因数校正芯片用恩智浦半导体的SSL4101控制器，它运行在临界导通模式下，恒定导通时间控制，流过电感电流与桥堆整流后的电压成正比例关系，所以输入平均电流的相位会跟随输入电压，得到非常高的功率因数。这种控制环路可靠度高，常在中、大功率驱动器中使用。SSL4101也集成了反激转换控制功能，如目前常采用准谐振断续式控制，准谐振工作的特点就是确保主开关上的寄生电容上的电压降到最低时导通，降低开关损耗，并对电磁辐射有一定程度的帮助。副边输出的电压和电流电平通过光电耦合器 《http://www.eet-china.com/ART_8800498887_480501_NP_ee5a1529.HTM》（简称光耦）来回授反馈给原边控制器。相比填谷式结构，主动式功率因数校正设计可以达到更高的功率因数和低的谐波电流，输出LED电流纹波也非常低。但是这种两级结构的驱动设计非常复杂，元件成本也很高，一般只适合在功率大于75W以上的LED驱动器中使用。

　　图4：两级主动式功率因数校正结构图

　　5 单级功率因数校正LED驱动器

　　5.1 采用单级功率因数校正的原因

　　不管是用填谷方式或主动式功率因数校正技术来提高功率因数，都有其各自的优缺点，如填谷式电路中需要使用大容值的高压电解电容，已致于元件成本和尺寸在紧凑型的LED灯设计中存在一定的局限性。两级主动式结构虽然能将功率因数和谐波性能实现得最好，但功率因数校正电路结构较为复杂，使电源的成本和体积增加，由此产生了单级功率因数校正技术，其拓扑是将功率因数校正电路中的开关元件和后级DC-DC变换器的开关元件合并和复用，将两部分电路合二为一。因此单级功率因数变换器有以下优点：1）开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低；2）控制电路通常只有一个输出回路，简化了控制回路；3）单级变换器拓扑中部分能量可以直接传递到输出侧，不经过两级变换，所以效率要高于两级变换器。由于以上特点，单级功率因数校正电路在中小功率LED驱动器中优势非常明显。

　　5.2 单级降压式功率因数校正的工作原理

前面提及了传统降压式BUCK结构中功率因数过低的主要原因，所以这里就是要解决怎样把流经主开关管上的电流平均值调整成接近于电压变化的相位，也就是在每个周期内，让电流跟随电压的变化而变