高功率因數LED恒流可調驅動電源設計^*

周錦榮   黃聞銘

（閩南師范大學 物理與信息工程學院，福建 漳州 363000）

    摘要：分析具有PFC的反激式隔離型AC/DC的LED恒流驅動電源的設計方法。給出高效率和高功率因數條件下隔離高頻變壓器以及由UCC28810構成的功率因數校正電路的具體設計方案和相關參數的選擇方法；闡述了由CC2530和SN3350構成的PWM恒流可調電路的工作原理。通過對實驗樣機在輸入電壓90V～260V范圍內進行多樣本測量實驗測試取均值結果表明，系統的功率因數均值在0.97以上，AC/DC變化電路的效率高達86.5%；恒流模塊的效率達到93.2%，實現恒流可控的PWM的調光功能。

    關鍵詞：LED 驅動電源；單級反激PFC； 高功率因數；PWM調光

中圖分類號：TM46   文獻標識碼: A

0 引言

    LED作為新型的照明器件，被廣泛應用在家居照明、路燈照明、LED顯示等領域^[1]。為了充分發揮LED具有高效節能、工作壽命長等優點，高效率、高功率因數、高可靠性的驅動電源成為了LED應用中的研究熱點 ^[2]。普通LED電源一般采用大電解電容作為儲能元件，存在工作壽命短，限制著LED整體系統長壽命的優點。因此，在提高功率因數的前提下，如何減小電解電容或采用無電解電容的研究成為解決大功率LED驅動電源和工作壽命匹配的主要方法之一^[3-4]。為了提高電源利用率，減少電源諧波，降低LED工作中存在的頻閃、功率因數低等問題，LED的驅動電源一般采用具有單級PFC的恒流驅動方式^[5-6]。本設計采用CCM 模式下隔離型AC/DC電源變換電路和UCC28810構成的功率因數校正電路作為主電源，并通過專用的恒流電路得到高效率、高功率因數、高穩定性的LED驅動電源^[7-8]。文中重點闡述輸出30V/600mA的LED驅動電源系統的整體設計方法，并給出具體的設計原理圖，并對設計樣機進行測試，系統整體框圖如圖1所示。

                          圖1 系統結構框圖

1 電路結構與原理分析

    1.1 主電源電路設計

主電源采用經典的單端反激結構，輸入端由保護電路和EMI電路組成，輸入電壓經過EMI濾波器和DB107整流橋，經C2和L2組成的差分低通濾波器濾除由高頻開關產生的電流紋波，得到VCC，結合MOS管的開通和關斷，通過變壓器耦合到副邊，利用副邊電容，將半正弦波濾成較為平滑的直流電。同時，由TL431和PC817將輸出電壓反饋回變壓器原邊的控制芯片進行電壓調整，使輸出電壓穩定在指定值，電路如圖2。

圖2 主電源電路原理圖

電路中R3、R22、R23、R24、C3和D4組成了RCD吸收回路用于吸收初級的漏感能量，減小EMI干擾。變壓器T2的副邊用E1濾除低頻紋波， C4和L3抑制輸出的高頻紋波。輸出電壓通過R6、 R12分壓，送到TL431的1腳上，通過 C8、R11、C9反饋原件，利用光耦器件 U1將電壓誤差反饋到原邊送給UCC28810進行調整。

    1.1  PFC高頻變壓器設計

    1.1.1 初級電感量的計算

如圖2所示，采用反激隔離型PFC電路，當電源工作在DCM模式或者是CRM模式時可實現較高的功率因數，本設計電源工作采用CRM模式，單級PFC工作于臨界模式變壓器的初級電感量公式^[7]：

     （1）

其中，為輸入電壓有效值，為輸入功率，為開關頻率，為占空比，為功率因數，n為變壓器匝數比， 為輸出電壓。

設定=99V，D取0.45，PF值取0.95，開關頻率取80 kHz，效率取85%，則輸入功率為：

           （2）

代入式（1）可得：

　   （3）

    1.1.2 變壓器磁芯的選擇

設計中考慮電源的功率、頻率、拓撲結構，并結合成本因數，選擇PC40材質，按照AP法初步選擇磁芯的型號：   （4）

式中，為磁芯窗口面積，為磁芯截面積，為輸出功率，為磁芯工作磁感應強度，取0.23T；為窗口有效使用系數，取0.3；為電流密度，取400。選用錳鋅鐵氧體磁芯EE25, 電感量系數=2000，， ， 。

    1.1.3 初次級線圈數及磁芯氣隙的確定

設計中選取的MOS管為6N80，其耐壓為800V，而輸入電壓最大為242V，其峰值為419V，給MOS留下300V的裕量，則允許的反射電壓：

     （5）

初級次級匝數比：        （6）

初級電流：  （7）

初級匝數：        （8）

磁芯氣隙：

   （9）

次級匝數：    （10）

輔助繞組匝數：     （11）

式中，是輔助繞組輸出電壓取16V。

    1.1.4 初次級線徑的確定：

初級電流有效值，次級電流峰值，次級電流有效值分別為：

         （12）

      （13）

      （14）

 初次級線截面積：      （15）

式中，為漆包線的截面積；為電流密度，一般取2.5。

由公式（14）和（15）可得初級線截面積為0.1，次級線截面積為0.3。故選取初級線徑為單股0.2，次級線徑為0.2，三股并繞。

    1.2 PFC功率因數校正電路設計 

利用UCC28810構成PFC功率因數校正電路^[8]，如圖3所示。

圖3中，EAOUT引腳的輸入電壓和VINS引腳的輸入電壓通過UCC28810內部乘法器相乘，然后與電流采樣輸入引腳ISENSE的電壓進行比較，從而決定MOS管的關斷時刻。當ISENSE引腳的輸入電壓時，MOS管關斷，而MOS管的開通是由TZE引腳的輸入電壓決定的。TZE引腳的外部一般接到輔助繞組，所以能檢測到變壓器的退磁過程即次級電流放電過程，從而使芯片強制工作在臨界導通模式。

T2副邊電流經過變壓器耦合到原邊，經R9、R10后轉換為電壓，通過R7和C6組成的低通濾波

器送入UCC28810的電流采樣引腳ISENSE構成電路檢測及濾波電路，經R18、R19、R20分壓后送入UC28810的瞬時半正弦波檢測引腳。

圖3  單級PFC原理電路

    1.3 恒流調整控制電路

恒流調整控制電路主要由CC2530可編程微處理器和高效率LED驅動芯片SN3350組成 ^[9-10] ，利用INA193采樣流過負載LED的實時電流，并送CC2530進行處理，如圖4所示。

          （a）SN3350大功率LED驅動電路

(b) PWM反饋控制器電路

圖4恒流調整控制電路原理圖

通過在LED兩端并聯一個多層瓷片電容C14，可以使輸出電流的紋波減小。這個電容雖然不會影響系統頻率和效率，但是會通過減小LED兩端電壓上升速度，增加啟動時間。

2 實驗與結果分析

圖5 為交流110V和220 V 輸入時的波形圖。從圖中可以看出，輸入電流波形很好的跟蹤輸入電壓波形，利用功率因數表測試，PF 值為0.975和0.983，實現較好的功率因數校正。

           (a)110V時輸入電壓和電流

          (b) 220V時輸入電壓和電流波形

           圖5 輸入電壓與輸入波形

AC/DC變換后的輸出30V電壓波形如圖6所示，提供給后級LED恒流電路。從測試波形可看出，輸出電壓的直流分量RMS=30V；并在直流分量上疊加有RMS=591mV，頻率為177Hz的紋波電壓，獲得較好輸出效果。

             (a)輸出電壓上波形

                (b)輸出的紋波電壓

                圖6  輸出30V電壓波形

    對LED驅動電源進行整體測試，實驗測試的結果如表1所示。

表1 不同輸入電壓下的功率因數和效率