《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高功率因數(shù)高效率的LED驅(qū)動(dòng)器
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第19期
董秀芬
揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 電子工程系 ,, 江蘇 揚(yáng)州 225009
摘要: 研究了一種基于單級(jí)Buck的LED驅(qū)動(dòng)器升級(jí)版——雙端正激變換器,,對(duì)此變換器進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證,并做出試驗(yàn)樣機(jī),,測(cè)出其實(shí)驗(yàn)波形,。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,此變換器相較于其他LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù)、高效率,、高可靠性等優(yōu)勢(shì),。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 研究了一種基于單級(jí)Buck的LED驅(qū)動(dòng)器升級(jí)版——雙端正激變換器,,對(duì)此變換器進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證,,并做出試驗(yàn)樣機(jī),測(cè)出其實(shí)驗(yàn)波形,。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,此變換器相較于其他LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù)、高效率,、高可靠性等優(yōu)勢(shì),。

  關(guān)鍵詞: 驅(qū)動(dòng)器; 變換器,;有源功率因數(shù)校正電路,;功率因數(shù);效率

0 引言

  LED驅(qū)動(dòng)電源為L(zhǎng)ED提供動(dòng)力,,驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的好壞,,直接影響到LED的壽命、光衰和燈具的壽命,。因此,,高功率因數(shù)、高效率,、高可靠性,、長(zhǎng)壽命等成為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展方向。

  美國(guó)“能源之星”規(guī)定大于5 W的驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)要大于0.9,。對(duì)于一般的AC/DC電源,,普遍采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。前一級(jí)電路進(jìn)行PFC,,再由后一級(jí)DC/DC變換電路獲得特定的電壓(電流),,比如工作于臨界電感電流模式,恒定導(dǎo)通時(shí)間變頻控制的Boost電路,。兩級(jí)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,,而且通過(guò)以前的研究發(fā)現(xiàn)其功率因數(shù)及效率不及單級(jí)驅(qū)動(dòng)電源高[1],。輸出端電感電流工作于斷續(xù)模式下(為了保證輸入端的電流連續(xù),輸入端加入LC濾波器)的Buck驅(qū)動(dòng)電源是單級(jí)的,,但其又存在不隔離的問(wèn)題,,所以本文提出了輸出端電感電流工作于斷續(xù)模式下的Buck驅(qū)動(dòng)電源升級(jí)版——雙端正激變換器。 本文對(duì)此變換器進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證,,并做出試驗(yàn)樣機(jī),,測(cè)出其實(shí)驗(yàn)波形。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,此變換器相較于其他LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù),、高效率、高可靠性等優(yōu)勢(shì),。

1 雙端正激變換器工作原理


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  LED作為驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)載,,有很多連接方式,每種連接方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要充分考慮負(fù)載的連接方式,。根據(jù)圖1 所示LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,考慮到本電源的負(fù)載為10個(gè)LED燈先串聯(lián)(每個(gè)LED燈的壓降為3.3 V左右),,再加上限流電阻,,所以設(shè)定電源輸出為36 V。電源的功率為100 W,,為了得到較高的功率因數(shù),,選擇有源功率因數(shù)校正電路。

  電源設(shè)計(jì)指標(biāo):

  額定電壓AC:100 V~240 V,,工頻頻率:50 Hz~60 Hz, PFC:額定滿載時(shí)>0.9,,效率:0.8,輸出電壓:額定36 V,,功率:100 W,,電流諧波:滿足EN6100-3-2 Class C標(biāo)準(zhǔn)。

  選擇開(kāi)關(guān)頻率時(shí),,必須要考慮所選開(kāi)關(guān)頻率足夠高,,以保證電源體積足夠小并減小畸變。但開(kāi)關(guān)頻率也不能太高,,以確保電源有足夠高的頻率,,一般開(kāi)關(guān)頻率為 20 kHz~300 kHz。綜合考慮到電源的體積和效率,,本電源開(kāi)關(guān)頻率定為100 kHz,。

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  根據(jù)其設(shè)計(jì)參數(shù)要求設(shè)計(jì)出雙端正激變換器LED驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖 ,如圖2所示。正激電源的工作過(guò)程類似于Buck變化器,。如圖2所示,,雙端正激電路有兩只管子,串聯(lián)在變壓器的初級(jí)側(cè),,兩只管子同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,。當(dāng)兩只管子導(dǎo)通時(shí),輸入端能量輸出給負(fù)載,,當(dāng)它們關(guān)斷時(shí)輸出端電感和電容向負(fù)載提供能量,,維持輸出電壓的恒定。

  此時(shí),,變壓器初級(jí)側(cè)的同名端被D1鉗位至地,,變壓器初級(jí)側(cè)的異名端被二極管D2鉗位至整流后的輸入電壓值。所以,,兩只管子的最大電壓應(yīng)力不會(huì)超過(guò)整流后的電壓值,,并且該電路沒(méi)有漏感能量消耗,管子導(dǎo)通時(shí),,存儲(chǔ)于漏感中的所有能量在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)通過(guò)D1,、 D2回饋給輸入端,,漏感電流從變壓器的異名端流出,,經(jīng)D2流入直流母線的正端,然后從直流母線的負(fù)極流出,,經(jīng)過(guò)D1返回到變壓器的同名端,。

  由于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),變壓器原邊的反向電壓與其導(dǎo)通時(shí)的正向電壓相等,,所以磁芯總能復(fù)位,。

2 功率級(jí)及控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)選擇

  2.1 功率級(jí)參數(shù)設(shè)計(jì)選擇

  對(duì)于相同結(jié)構(gòu)的PFC電路,功率級(jí)的設(shè)計(jì)步驟類似[2],。該100 W電源的設(shè)計(jì)同樣適用于其他電路功率級(jí)設(shè)汁,。

  ⑴輸入電容的選擇,。如圖1所示的輸入端電容Co決定了輸入端高頻紋波電流的數(shù)量,,它的值可根據(jù)一些特定的紋波電壓來(lái)確定。輸入功率一定,,輸入電流最小時(shí),,紋波電壓Δu為最大輸入端電容上的紋波電壓峰峰值,一般取輸入最大輸入電壓幅值的20%,,即Δu=20%×missing image file ×240=68 V,。

  當(dāng)輸入電壓最大時(shí),輸入端電流最小。對(duì)于該電路,,輸入端電容在一周期內(nèi)電荷守恒,,當(dāng)MOS管子關(guān)斷時(shí),電容充電,,當(dāng)管子開(kāi)通時(shí)管子放電,。所以:

  1.png

  則管子占空比為:

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  為了保證輸出端電壓恒定,占空比必須跟隨輸入電流按正弦波變化,。所以當(dāng)輸入電流最小時(shí),,占空比最小。則最小占空比如下:

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  輸入端電容由下式計(jì)算:

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  實(shí)際設(shè)計(jì)中可以選擇220 nF,。

 ?、戚斎攵穗姼性O(shè)計(jì)。與輸入端電容設(shè)計(jì)類似,,首要考慮輸入端最大電流峰值,。當(dāng)輸入功率恒定、輸入電壓最小時(shí),,輸入電流最大,。最大電流峰值可由下式計(jì)算:

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  輸入端電感電流紋波峰峰值為最大峰值電流的20%,可由下式計(jì)算:

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  最大占空比:

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  輸入電感為:

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  輸入端電感實(shí)際電路選擇700 μH,。

  Vout為輸入端經(jīng)過(guò)整流后的平均電壓,,即輸入端電容兩端的電壓。輸入端電感LO,、CO 組成了一個(gè)二階濾波器,,濾波器輸出為輸入電壓整流后的平均值,即輸入電壓有效值的90%,。

 ?、禽敵龆穗姼泻碗娙莸倪x擇,輸出端電感的設(shè)計(jì)與負(fù)載電流的變化有關(guān),,為了保證電路工作在斷續(xù)模式,,首先計(jì)算出臨界電感值:

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  其中Iom為臨界電流值,

  最小負(fù)載電流為:

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  令最小負(fù)載電流值為臨界電流值:

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  為保證輸出端電流斷續(xù),,輸出端電感必須小于該值,,實(shí)際電路取20 μH,輸出端電容越大,,輸出電壓紋波越小,。輸出端電容的大小決定了輸出端紋波電壓的大小。

 ?、容敵鲭娙軨1的計(jì)算,。輸出端電容值由保持時(shí)間決定,,保持時(shí)間即當(dāng)斷掉輸入端交流電源時(shí),C1要足夠大以保證在一定時(shí)間內(nèi)保持輸出端電壓大約為輸出電壓的80%,。一般取25 ms~50 ms,,此處取34 ms??傻孟率剑?/p>

  12.png

  考慮到電容體積和電源成本,,實(shí)際電路選擇輸出端電容為2 000 μF。

 ?、砷_(kāi)關(guān)管和二極管的選擇,。開(kāi)關(guān)管和MOS管子承受的最大電壓應(yīng)力為輸出端電壓,最大電流應(yīng)力為輸入端電流,,所以要選擇額定電壓大于輸出端電壓,,額定電流大于輸入端電流的開(kāi)關(guān)管和二極管。

  對(duì)于該電源輸出電壓最大為40 V,輸入端最大電流為1.414 A,。二極管還要有足夠快的切換速度,,以減小其開(kāi)通損耗,降低自身消耗的功率,。為保證電路的可靠性,,此處開(kāi)關(guān)管選擇功率MOS管18N50。該功率管耐壓值500 V(DC),,額定電流值18 A(DC),,導(dǎo)通電阻Ron ( ds)=0.625Ω,當(dāng)二極管由開(kāi)通到關(guān)斷的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流,,從MOS管子導(dǎo)通直至二極管完全截止,,該反向恢復(fù)電流和負(fù)載電流同時(shí)流過(guò)MOS管,會(huì)造成很大的功率損耗,。此處二極管選用快速二極管RURP1560,額定耐壓值600 V,,前向額定電流15 A,反向恢復(fù)時(shí)間35 ns,。此處為降低二極管反向恢復(fù)電流,在其兩端并聯(lián)一RC吸收回路,。

 ?、瘦敵龆穗妷簷z測(cè)。為便于MOS管子的驅(qū)動(dòng),,輸出端電壓采樣此處選擇模塊CHV-25P電壓傳感器,,輸出電流額定值為25 mA,輸入輸出電壓比為2 500:1 000,。

 ?、溯斎腚娏鳈z測(cè)電阻的選擇,。通常選擇輸入端電流檢測(cè)電阻上有1 V左右的電壓降,既可以保證有檢測(cè)信號(hào)足夠大和良好的噪聲容限,,又不至于造成大的功耗,。當(dāng)輸入端流過(guò)最大峰值電流時(shí),檢測(cè)電阻上會(huì)有最大的壓降,。所以檢測(cè)電阻可由下式得到:

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  實(shí)際設(shè)計(jì)中該電阻Rs取1Ω,。

  2.2 控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)選擇

  UC3854芯片為典型的雙環(huán)控制功率因數(shù)校正芯片[3-4](因?yàn)榇诵酒瑸槌S眯酒渚唧w引腳圖,、功能原理等很容易查閱到,,所以在此不再敘述)。對(duì)于該芯片有很多技術(shù)參數(shù),,比如每個(gè)管腳電壓變化范圍,、震蕩頻率等等。這些參數(shù)的選擇是由UC3854芯片自身決定的,,與功率級(jí)無(wú)關(guān),,所以控制電路的設(shè)計(jì)可圍繞該芯片的外圍電路參數(shù)設(shè)計(jì)展開(kāi)[5]。

 ?、臨vac的選擇,。如前所述,電流比較器的基準(zhǔn)電流正弦波形是直接從輸入端采樣整流后的輸入電壓Vg(t)得到的,,如圖2中所示,。通過(guò)Rvac的采樣,引入一個(gè)正弦波形的電流信號(hào),,送到UC3854芯片的引腳6并作為乘法器的一路輸入,。推薦流過(guò)Rvac的最大電流為0.6 mA, UC3854A/B在全范圍的工作溫度下[6],該引腳的電壓為500 mV,。為了保證最好的特性,,當(dāng)輸入電壓最大時(shí),該引腳的電流必須限定在250 μA以內(nèi),。電阻Rvac的值可由下式得到:

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  實(shí)際電路中Rvac選用990 kΩ,,此處可以選擇3個(gè)330 kΩ的電阻串聯(lián)。

 ?、芌set和CT的選擇,,對(duì)于乘法器的輸出端電流Imo有兩個(gè)限制。一個(gè)是Imo可能會(huì)小于Iac的二倍,,Iac為引腳6的輸入電流,。另一個(gè)限制來(lái)自于流過(guò)引腳12的電流Iset。這兩個(gè)限制可由式(14)表示,。當(dāng)輸入端電壓最小,,輸入端電流到達(dá)正弦波的峰值時(shí),,乘法器輸出電流最大。由式(15)的限制條件,,當(dāng)Imo最大時(shí),,Rset取最小值。

  1516.png

  因此,,在該電路中Rset取10 kΩ,。

  芯片內(nèi)部振蕩器的充電電流Iset,其值由Rset設(shè)定,,頻率由定時(shí)充電電流和電容決定,。UC3854的振蕩頻率可由式(17)計(jì)算:

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  選擇開(kāi)關(guān)頻率fs為100 kHz ,Rset為10 kHz,,由式(17)求得定時(shí)電容為1.25 nF,。

  ⑶峰值電流限制參數(shù)的選擇,。當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)電流超過(guò)最大值時(shí),,會(huì)使芯片引腳2拉低至負(fù)電位,峰值電流限制比較器翻轉(zhuǎn),,將會(huì)使管子關(guān)斷,。電流限制值是由從芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓到電流檢測(cè)電阻端的電阻分壓設(shè)定的,Rpk1和Rpk2串聯(lián)在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和電流檢測(cè)電阻端之間分壓,。當(dāng)輸入電流增加時(shí),,檢測(cè)電阻兩端的壓降也會(huì)增加,芯片引腳2上的電壓會(huì)下降,,當(dāng)該電壓下降至0時(shí),,峰值電流限制功能被激活。Rpk1和Rpk2的值可由下式計(jì)算:

  18.png

  missing image file為電流檢測(cè)電阻上的電壓,,該電壓通常被設(shè)定為1 V,。此處假定過(guò)載時(shí)檢測(cè)電阻上的壓降為1.4 V。Vref為芯片內(nèi)部電壓基準(zhǔn)(由芯片引腳9引出),,為7.5 V,。通常情況下選擇Rpk1為10 kΩ。所以由上式計(jì)算出Rpk2為1.8 kΩ,。

  ⑷前饋網(wǎng)路設(shè)計(jì),。芯片引腳8接輸入端經(jīng)過(guò)整流后的電壓平均值,。對(duì)于UC3854,該引腳的電壓范圍為1.4 V~4.5 V,,對(duì)于UC3854A/B,,該引腳電壓為0 V~5.5 V,。前饋網(wǎng)路的電阻也進(jìn)行分壓,使得輸入電壓最低(100 V AC)時(shí),,VRMS(引腳8)為1.5 V,。輸入電壓最大(270 V AC)時(shí),該引腳電壓為4.77 V,,滿足其工作范圍[7],。經(jīng)整流后的電壓平均值為正弦半波電壓有效值的90%,當(dāng)選定前饋網(wǎng)絡(luò)時(shí),,用電壓平均值計(jì)算,。由下面的方程式確定分壓網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的電阻值。

  19.png

  所以前饋網(wǎng)路的電阻值分別為Rff1=1 160 kΩ,,Rff2=100 kΩ,,Rff3=22 kΩ。在實(shí)際電路中,,Rff1用兩個(gè)串聯(lián)的電阻代替,,阻值分別為470 kΩ和220 kΩ。前饋網(wǎng)路的兩個(gè)電容可看作兩個(gè)獨(dú)立的單極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),??捎梢韵鹿接?jì)算:

  20.png

  其中fr為線電壓整流后的一次諧波電壓頻率,要確定兩個(gè)電容值必須先求出每個(gè)單極點(diǎn)濾波器在2倍的工作頻率時(shí)的增益[8],。

  二次諧波電壓值為整流后電壓Vg(t)平均值的66%,,濾波器的諧波衰減量或?yàn)V波器的“增益”,為分配到該畸變?cè)吹膬纱沃C波失真量除以66.2%,,該值即為電阻分壓器的輸入端電壓,。如前所述,前饋網(wǎng)絡(luò)分擔(dān)了1.5%的諧波畸變,,如此可計(jì)算單極點(diǎn)濾波器的增益為:

  21.png

  則可由公式(20)計(jì)算出兩個(gè)電容值分別為:

  2P$ZHN_JLNFXHKZL_Y$]0VM.png

3 雙端正激變換器仿真及實(shí)驗(yàn)波形

  3.1 仿真波形

  用Psim搭建雙端正激變換器的仿真電路,,輸入電壓/電流、輸出電壓,、C1兩端電壓及輸出端電感電流仿真結(jié)果如圖3所示,。

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  由仿真結(jié)果可知,電路滿載時(shí),,輸入電流功率因數(shù)為0.989,,效率為90.6%,且可獲得紋波很小的36 V的輸出電壓,。仿真能達(dá)到設(shè)計(jì)要求[9],。下面進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。

  3.2 實(shí)驗(yàn)波形

  根據(jù)以上的參數(shù)選擇和仿真結(jié)果,,選擇參數(shù)[10]:

  輸入電壓:100 V~240 V AC

  輸出電壓:36 V DC

  L1=500 μH,,L2=20 μH,,C1=220 nF,C2=2 000 μF,, R=13 kΩ,,fs=100 kHz。

  選取UC3854AN為控制芯片,,原理圖如圖2所示,,且測(cè)得輸入有效值為220 V交流電時(shí)的電路波形,該驅(qū)動(dòng)電源的各個(gè)實(shí)驗(yàn)波形如圖4,。

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4 結(jié)論

  分析了基于單級(jí)Buck的升級(jí)版的LED驅(qū)動(dòng)器——雙端正激變換器,,對(duì)此變換器進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證,并做出試驗(yàn)樣機(jī),,測(cè)出其實(shí)驗(yàn)波形,。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得功率因數(shù)為0.988,效率為92%,。輸入電流能很好地跟蹤輸入電壓波形,,且能輸出紋波很小的36 V電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,此變換器相較于其他LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù)、高效率,、高可靠性等優(yōu)勢(shì),。

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