摘 要： 研究了一種基于單級Buck的LED驅(qū)動器升級版——雙端正激變換器，對此變換器進行了理論分析和仿真驗證,，并做出試驗樣機,，測出其實驗波形。仿真和實驗結(jié)果表明,，此變換器相較于其他LED驅(qū)動電源具有高功率因數(shù),、高效率、高可靠性等優(yōu)勢,。

　　關(guān)鍵詞： 驅(qū)動器,； 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)動電源為LED提供動力，驅(qū)動電源設(shè)計的好壞,，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、長壽命等成為LED驅(qū)動電源的發(fā)展方向,。

　　美國“能源之星”規(guī)定大于5 W的驅(qū)動電源功率因數(shù)要大于0.9,。對于一般的AC/DC電源，普遍采用兩級結(jié)構(gòu),。前一級電路進行PFC,，再由后一級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)通時間變頻控制的Boost電路,。兩級結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且通過以前的研究發(fā)現(xiàn)其功率因數(shù)及效率不及單級驅(qū)動電源高[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)動電源是單級的，但其又存在不隔離的問題,，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)動電源升級版——雙端正激變換器,。 本文對此變換器進行了理論分析和仿真驗證，并做出試驗樣機,，測出其實驗波形,。仿真和實驗結(jié)果表明，此變換器相較于其他LED驅(qū)動電源具有高功率因數(shù),、高效率,、高可靠性等優(yōu)勢。

1 雙端正激變換器工作原理

　　LED作為驅(qū)動電源的負(fù)載,，有很多連接方式,，每種連接方式都有各自的優(yōu)缺點，設(shè)計驅(qū)動電源時要充分考慮負(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LED燈先串聯(lián)（每個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>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)。

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

　　根據(jù)其設(shè)計參數(shù)要求設(shè)計出雙端正激變換器LED驅(qū)動電源電路原理圖 ,，如圖2所示。正激電源的工作過程類似于Buck變化器,。如圖2所示,，雙端正激電路有兩只管子，串聯(lián)在變壓器的初級側(cè),，兩只管子同時導(dǎo)通和關(guān)斷,。當(dāng)兩只管子導(dǎo)通時，輸入端能量輸出給負(fù)載,，當(dāng)它們關(guān)斷時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,，變壓器初級側(cè)的同名端被D1鉗位至地,，變壓器初級側(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)力不會超過整流后的電壓值,，并且該電路沒有漏感能量消耗，管子導(dǎo)通時,，存儲于漏感中的所有能量在開關(guān)導(dǎo)通時通過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D1返回到變壓器的同名端,。

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

2 功率級及控制電路的參數(shù)設(shè)計選擇

　　2.1 功率級參數(shù)設(shè)計選擇

　　對于相同結(jié)構(gòu)的PFC電路,，功率級的設(shè)計步驟類似[2]。該100 W電源的設(shè)計同樣適用于其他電路功率級設(shè)汁,。

　?、泡斎腚娙莸倪x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確定,。輸入功率一定,，輸入電流最小時，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,，輸入端電流最小,。對于該電路，輸入端電容在一周期內(nèi)電荷守恒,，當(dāng)MOS管子關(guān)斷時,，電容充電，當(dāng)管子開通時管子放電,。所以：

　　則管子占空比為：

　　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,，占空比最小,。則最小占空比如下：

　　輸入端電容由下式計算：

　　實際設(shè)計中可以選擇220 nF。

　?、戚斎攵穗姼性O(shè)計,。與輸入端電容設(shè)計類似，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，輸入電流最大,。最大電流峰值可由下式計算：

　　輸入端電感電流紋波峰峰值為最大峰值電流的20%,，可由下式計算：

　　最大占空比：

　　輸入電感為：

　　輸入端電感實際電路選擇700 μH。

　　Vout為輸入端經(jīng)過整流后的平均電壓,，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,，首先計算出臨界電感值：

　　其中Iom為臨界電流值,，

　　最小負(fù)載電流為：

　　令最小負(fù)載電流值為臨界電流值：

　　為保證輸出端電流斷續(xù),，輸出端電感必須小于該值，實際電路取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,。

　　⑷輸出電容C1的計算,。輸出端電容值由保持時間決定,，保持時間即當(dāng)斷掉輸入端交流電源時，C1要足夠大以保證在一定時間內(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>

　　考慮到電容體積和電源成本,，實際電路選擇輸出端電容為2 000 μF。

　?、砷_關(guān)管和二極管的選擇,。開關(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關(guān)管和二極管。

　　對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,，以減小其開通損耗，降低自身消耗的功率,。為保證電路的可靠性,，此處開關(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)二極管由開通到關(guān)斷的過程中會產(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)載電流同時流過MOS管，會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,。

　　⑹輸出端電壓檢測,。為便于MOS管子的驅(qū)動,，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,。

　　⑺輸入電流檢測電阻的選擇,。通常選擇輸入端電流檢測電阻上有1 V左右的電壓降,，既可以保證有檢測信號足夠大和良好的噪聲容限，又不至于造成大的功耗,。當(dāng)輸入端流過最大峰值電流時,，檢測電阻上會有最大的壓降。所以檢測電阻可由下式得到：

　　實際設(shè)計中該電阻Rs取1Ω,。

　　2.2 控制電路的參數(shù)設(shè)計選擇

　　UC3854芯片為典型的雙環(huán)控制功率因數(shù)校正芯片[3-4](因為此芯片為常用芯片,，其具體引腳圖、功能原理等很容易查閱到,，所以在此不再敘述),。對于該芯片有很多技術(shù)參數(shù)，比如每個管腳電壓變化范圍,、震蕩頻率等等,。這些參數(shù)的選擇是由UC3854芯片自身決定的,，與功率級無關(guān),，所以控制電路的設(shè)計可圍繞該芯片的外圍電路參數(shù)設(shè)計展開[5],。

　　⑴Rvac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Rvac的采樣,，引入一個正弦波形的電流信號，送到UC3854芯片的引腳6并作為乘法器的一路輸入,。推薦流過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,，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：

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

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

　　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,，頻率由定時充電電流和電容決定,。UC3854的振蕩頻率可由式（17）計算：

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

　　⑶峰值電流限制參數(shù)的選擇,。當(dāng)流過開關(guān)管的瞬時電流超過最大值時,，會使芯片引腳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)電壓和電流檢測電阻端之間分壓,。當(dāng)輸入電流增加時,，檢測電阻兩端的壓降也會增加，芯片引腳2上的電壓會下降,，當(dāng)該電壓下降至0時,，峰值電流限制功能被激活。Rpk1和Rpk2的值可由下式計算：

　　missing image file為電流檢測電阻上的電壓,，該電壓通常被設(shè)定為1 V,。此處假定過載時檢測電阻上的壓降為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,。所以由上式計算出Rpk2為1.8 kΩ。

　?、惹梆伨W(wǎng)路設(shè)計,。芯片引腳8接輸入端經(jīng)過整流后的電壓平均值。對于UC3854,，該引腳的電壓范圍為1.4 V~4.5 V,，對于UC3854A/B，該引腳電壓為0 V~5.5 V,。前饋網(wǎng)路的電阻也進行分壓,，使得輸入電壓最低(100 V AC)時，VRMS(引腳8)為1.5 V,。輸入電壓最大(270 V AC)時,，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，用電壓平均值計算,。由下面的方程式確定分壓網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的電阻值,。

　　所以前饋網(wǎng)路的電阻值分別為Rff1=1 160 kΩ，Rff2=100 kΩ,，Rff3=22 kΩ,。在實際電路中，Rff1用兩個串聯(lián)的電阻代替,，阻值分別為470 kΩ和220 kΩ,。前饋網(wǎng)路的兩個電容可看作兩個獨立的單極點網(wǎng)絡(luò)?？捎梢韵鹿接嬎悖?/p>

　　其中fr為線電壓整流后的一次諧波電壓頻率,，要確定兩個電容值必須先求出每個單極點濾波器在2倍的工作頻率時的增益[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濾波器的“增益”,，為分配到該畸變源的兩次諧波失真量除以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，如此可計算單極點濾波器的增益為：

　　則可由公式（20）計算出兩個電容值分別為：

3 雙端正激變換器仿真及實驗波形

　　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。

　　由仿真結(jié)果可知,，電路滿載時,，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,。仿真能達到設(shè)計要求[9]。下面進行樣機試驗,。

　　3.2 實驗波形

　　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,，且測得輸入有效值為220 V交流電時的電路波形,，該驅(qū)動電源的各個實驗波形如圖4。

4 結(jié)論

　　分析了基于單級Buck的升級版的LED驅(qū)動器——雙端正激變換器,，對此變換器進行了理論分析和仿真驗證，并做出試驗樣機,，測出其實驗波形,。根據(jù)實驗測得功率因數(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。實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,。仿真和實驗結(jié)果表明,，此變換器相較于其他LED驅(qū)動電源具有高功率因數(shù)、高效率,、高可靠性等優(yōu)勢,。

參考文獻

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