LED灯高功率因数驱动器的设计

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（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化，从而达到高功率因数的目的。

图5.2所示线路是用来调整主开关电流的外围控制线路的仿真图，电路原理是在三级管Q1发射极端得到一个两倍于市电的频率，且近似于半正弦波的变化电平，这样再把这个电平提供给控制芯片SSL2109电流回授脚，芯片内部再去调制主回路工作频率，使流过主开关管的平均电流形成近似半正弦的形状。


图5.2：单级功率因数调整电路仿真图

图5.2下面曲线部分是仿真的结果，绿色曲线是桥堆整流后的电压形状，红色曲线和蓝色曲线分别是三级管Q1集电极电压和电流的结果，可以看到，三级管基极电平完全更随桥式整流后的电压，由于三级管Q1是PNP型三级管，集电极输出的电平刚好与而基射的电平相反，故在基极电平从最高幅值到零降低时，集电极输出电压和电流反而由最低渐渐增大至最高幅值，这样，当这个电平输入到芯片电流回授脚后，就可以调整主开关管的电流大小了。

5.3降压式结构中验证单级功率因数调整电路

图5.3-1是在传统BUCK降压式线路上增加了功率因数调整元件，所以芯片电流脚检测到的信号是主开关管M1和流经三级管Q1电流的叠加之和。当整流后的电压变化时，流过三极管Q1的电流也跟随变化。


图5.3-1：单级功率因数调整式实验图和相关测试波形

图5.3-1右侧是实验板上测试得到的工作波形，从上到下各通道依次是：紫色是主开关管栅极的电压波形，深蓝色通道是芯片电流检测脚的波形，绿色通道是主开关管M1源极上的电流波形，浅蓝色通道是输入电流的波形。可以看到芯片电流检测脚原来是一个恒定的0.5参考电平，现在用外加的功率因数矫正电路后，主开关的平均电流波形被调整为半正弦形状，原因就是三级管Q1集电极的输出电平进入芯片电流检测脚后，主开关管上的电流会先从过零点渐渐增大至最高幅值，再逐渐被降低到零。这样输入电流和输入电压的相位基本相似，也接近于交流正弦。

图5.3-2是实验得到总电流谐波测试的结果只有13%，可以看出相比原降压和填谷式降压都有非常大的提高，完全满足能源之星对LED照明的功率因数要求。本实验中选择的电感为EFD15，感量为700mH，最低工作频率在70KHz，功率因数0.95，工作效率达到93%以上。


图5.3-2：单级功率因数调整式实验结果

图5.3-1对比原降压结构线路图2.1，在LED灯开路保护上也有改进，原图用稳压管和功率额度较大的可控硅晶闸管来保护输出电压不至于过高引起输出电解电容的损坏，其缺点就是，当发生开路时，主芯片一直是在工作，没有停止，保护用的晶闸管的温度也会比较高，有一定安全隐患。图10中只在电感上增加了一个绕组来感应输出电压的变化，二级管D2整流新增绕组的负向电压，当LED灯开路时，电解电容C1两端的电压上升，新增加的绕组绝对电压也会随之升高，D2整流的负向电压也会升高直到稳压管D4导通，从而将芯片NTC脚电平拉低到0V，主开关停止工作，芯片进入保护模式。所以这种开路保护相比原保护要更简单和可靠。

5.4 反激式结构中验证单级功率因数调整电路

当然，单级降压结构中的功率因数矫正的外围线路也可以用到隔离反激式结构中，因为，在一部分LED照明中，隔离反激式结构的设计需求也是非常多的。图5.4是试验在隔离反激式结构的数据，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，从测试出来的结果看到，功率因数和谐波电流与在降压式结构中得的结果基本相同，都能做到功率因数（PF）值大于0.9和谐波电流小于20%的性能。


图5.4：功率因数调整线路在反激结构应用结果