高效单级变换式LED驱动电源设计方案(一)

0 引 言

随着全球化石油燃料的日益耗尽，人们正在寻找新的替代能源，可再生能源如：风能、太阳能、生物能源等成为热点。由于可再生能源的开发存在诸多经济、技术风险等不确定因素，所以各国政府都在积极发展LED照明产业，大力推广LED路灯、隧道灯、球泡灯等照明产品的应用研究，倡导产品降低能耗、提高效率、促进节能技术创新等工作。基于LED发光器件的低压特性，LED照明的核心部件LED驱动电源的能效、功率因数、可靠性等性能成为LED光电照明产业能否健康发展亟待解决的关键技术问题。

中国的国家推荐性标准GB/T24825-2009LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求中规定：达到能效1级的隔离输出式LED模块控制装置，电源效率应不小于88%(P>25 W );电源产品电磁干扰(EMI)性能应符合国家强制性标准GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001电磁兼容限值谐波电流发射限值和GB17743-2007电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法的相关要求。美国能源之星照明灯具规范(ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires)中规定：商用照明灯具功率因数必须大于0.9.

LED光源与其它光源的主要区别在于LED光源需要一个驱动电源，驱动电源的性能直接关系到LED光源的性能。在全球提倡节能减排和绿色电子的大背景下，如何设计一种高功率因数、低谐波电流的高效LED驱动电源是当今广泛关注的热点问题。本文提出一种采用功率因数校正(PFC)电路，临界模式(boundary mode)的AC/DC单级反激式的电源供应器拓扑，通过正确设定相关参数，可在兼顾电源品质与成本的情况下，有效提高能效、避免建筑物内高次谐波电流造成的电源环境污染。

1 单级AC/DC拓扑结构及原理

AC/DC反激式变换器，是采用临界电流模式控制的Flyback变换电路，系统原理框图如图1.工作原理：开关管MOS驱动着反激式储能隔离变压器T,MOS导通时变压器T储能，关断时变压器T次级绕组通过续流二极管释放能量。控制MOS的导通、关断时间规律，可实现输入电流波形和输出直流电压或电流的稳定控制，以保障输入电流的正弦规律化和输出直流特性的稳定性。

图1 AC/DC反激式变换器原理图

电路拓扑如图2所示。

图2 电路拓扑图

图2中：Lm为变压器初级励磁电感，Lr为漏电感，初级电感LP=Lm+Lr,次级电感为LS。

1.1 SPWM 调制原理

如图2所示，市电经全波整流，按市电半个周期波形图分析，则正弦调制原理分析如图3:IQ为MOS管在某一时刻的导通电流，IQ(sin)_PK是MOS的峰值电流，ID为次级二极管在MOS管关闭时刻的续流，ID(sin)_PK是二极管的峰值电流。

图3 SPWM 调制图

在调制波形示意图里，采用电感电流回零后允许导通下一个驱动脉冲工作方式，以保障每个开关周期里T =TON+TOFF 。

如调制图3,设市电输入正弦波电压：

Uin(t)=Uin_pksinωt

把市电输入电压离散化，则设第N 个点时，图中△ABE所示，MOS导通，电压与电感励磁电流的关系如下：

若N 足够大时，则电流、电压等效为连续：

由上式可知：

假设导通时间为常数：TON_N = 常数(const)，则上述MOS导通电流各点峰值IQ(sin)_pk组成的包络就形成了正弦规律。

次级二极管瞬时峰值电流为ID(t)，根据励磁电流引起的磁通不能突变原则可知：ID(t)=n IQ(t)=nIQ(sin)_pksinωt,且等式LP =n2 LS成立，其中参数n为变压器的初、次级匝数比。

根据变压器伏秒平衡原则，在绕组次级伏秒规则如下：

式中，Uo是输出直流电压，UF是整流二极管正向导通压降。

且根据：T =TON+TOFF

设在第N 点对IQ(sin)_pk_N积分可得到其平均值，在图3中三角形△CED中：

则市电输入电流：

由上几个等式可得到：

设：UR =n (Uo+UF)并定义：UR为反射电压。

又设定电压反射比为：

则可得输入电流的表达式：

由输入电流表达式可见：在开关管按恒定导通时，输入电流也不是纯净正弦波，失真度THDI与Rvr密切相关，即THDI取决于输出直流电压和初次极匝数比n(这里n=N1/N2 )等。

根据上述表达式把输入电流正弦波特性与Rvr关系式仿真绘图，如图4所示。由仿真输出图可知：Rvr数值越小时，输入电流就越正弦，失真度就越小;反之则正弦特性越差。

图4 正弦电流仿真图

1.2 高功率因数输入的器件优化选择原则

设定输入电压为纯净正弦波，输入功率因数和谐波电流关系如下式：

式中，θ 为基波电压与基波电流的相角差;这里可设cosθ=1 .把以上关系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和THDI值绘图，如图5、图6所示，由关系图可知：Rvr值越小对功率因数和谐波电流越好，但是从系统性价比来看，Rvr并非越小越好;这是因为：由电流表达式可知