隨著(zhù)LED燈在眾多領(lǐng)域里的應用，譬如商業(yè)照明和家庭照明，LED照明已全面有取代傳統白熾燈和熒光燈之勢，因為相比傳統照明，LED照明盡管在價(jià)格上偏貴于傳統照明，但它具備節能，光效高，壽命長(cháng)，無(wú)污染等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，所以，LED照明能在短時(shí)內被市場(chǎng)認同。另外，隨著(zhù)能源資源無(wú)節制地消耗，帶有節能性能的照明產(chǎn)品已受到政府組織的推廣，一些國家的能源組織也有發(fā)布相關(guān)政策，補貼滿(mǎn)足其標準的照明產(chǎn)品。如商業(yè)照明產(chǎn)品功率因數大于0.9，家用大于0.7就是美國能源之星的強制要求之一。所以在關(guān)注LED燈高光效，長(cháng)壽命特點(diǎn)的同時(shí)，在保證低元器件成本的前提下，設計出具有高功率因數且性能高可靠LED驅動(dòng)變得尤為重要。

1 LED照明的發(fā)展概述

消費者從傳統照明轉換到LED照明是已經(jīng)被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節省80%的能源，其壽命可以長(cháng)至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節能燈，不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，如水銀，汞等重金屬物質(zhì)，也沒(méi)有像節能燈（CFL）在啟動(dòng)時(shí)暖燈時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題，所以在全球資源緊張的大環(huán)境下，平衡到對環(huán)境與能源的厲害關(guān)系，政策上也會(huì )加速推廣LED照明，因為L(cháng)ED照明在發(fā)光原理、節能、環(huán)保的層面上都遠遠優(yōu)于傳統照明產(chǎn)品，盡管短時(shí)間內LED照明的成本很高，譬如傳統60W白熾燈零售價(jià)格只有7WLED燈的1/10還不到，所以家庭用戶(hù)現階段對LED燈的價(jià)格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設中的商業(yè)照明市場(chǎng)中，如酒店和商場(chǎng)都使用了LED照明，已鮮見(jiàn)再有傳統照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅動(dòng)部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數。發(fā)達國家在照明領(lǐng)域里的能源問(wèn)題已非常重視，譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規定，住宅照明驅動(dòng)器的功率因數PF必須大于0.7,商業(yè)照明大于0.9的強制性要求。

2 降壓式LED驅動(dòng)器

2.1介紹說(shuō)明降壓式LED驅動(dòng)器

三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK，升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地線(xiàn)上。每種結構都有其自身的特性，如靜態(tài)電壓轉換率，輸入輸出電流特性，輸出電壓紋波和最重要的頻率響應特性，最普遍和最簡(jiǎn)單的結構要數降壓式BUCK結構，通常設計時(shí)選擇降壓結構是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結構。這里再提一下降壓式結構的另外一個(gè)特點(diǎn)，因為主開(kāi)關(guān)管的電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內都是由零上升到額定值，所以它的輸入電流總是非連續的，而輸出電流時(shí)連續的，這是由于輸出電流是依靠電感和輸出端的電容會(huì )提供的。

在實(shí)際LED驅動(dòng)器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會(huì )采用降壓式結構，因為不僅結構簡(jiǎn)單，而且元件成本和轉換效率上有明顯的優(yōu)點(diǎn)，所以其應用非常廣。

圖2.1是一個(gè)常規的BUCK降壓式線(xiàn)路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器,原理圖上可以看出它的外圍元件非常少，電路非常簡(jiǎn)單，電感只需要一個(gè)繞組，不像其它控制器必須依靠另外的輔助繞組給芯片供電，這里它是采用了一顆高壓瓷片電容C5，連接到主開(kāi)關(guān)管柵極來(lái)進(jìn)行充電，所以芯片啟動(dòng)后，正常工作的電平都來(lái)自于這顆電容的作用。效率方面，它能達到90%以上，不足之處就是功率因數只有0.55左右，如圖2.1的曲線(xiàn)所示。
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2.2降壓式結構LED驅動(dòng)器的工作原理

降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖2.2所示，紫色通道是通過(guò)主開(kāi)關(guān)管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開(kāi)關(guān)管Q1的漏極電壓波形，藍色通道是輸入電流波形，黃色通道是輸入電壓的波形。

可以看到流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的電流平均值基本是一條水平線(xiàn)，主要原因是整流后的濾波電容（C1，C2）容量很大，其充滿(mǎn)后的存貯電壓足夠已在整個(gè)周期內泄放，所以輸入電壓總是會(huì )高于輸出電壓，每個(gè)周期內流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流通過(guò)電阻R5轉換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內部的電流參考腳的電平是一個(gè)固定值，通常0.5V左右，當達到參考值后，主開(kāi)關(guān)管就停止工作，再等待下一個(gè)開(kāi)通信號，就是檢測到開(kāi)關(guān)管上的最低谷底電壓時(shí)，芯片再提供開(kāi)通驅動(dòng)信號給主開(kāi)關(guān)管的柵極。所以，開(kāi)關(guān)管每個(gè)周期的電流大小基本一致，這也就造成輸入線(xiàn)上電流（圖2.2中的淺藍色通道）的變化不是跟隨輸入電壓（圖2.2中的黃色通道）的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因數會(huì )非常低，電流諧波也很大。

3 填谷式LED驅動(dòng)器

3.1填谷式結構中功率因數校正的原理

為了滿(mǎn)足能源之星和IEC(國際電工委員會(huì )的簡(jiǎn)稱(chēng))相關(guān)要求，早期大多設計者采用被動(dòng)填谷方式來(lái)提高輸入功率因數，大致電路結構如下圖3.1所示：

元件C1，D5，C2，D7,D6組成主要填谷電路，每個(gè)周期內交流電經(jīng)由橋堆D1~D4整流后，給C1，C2串聯(lián)著(zhù)充電，D6防止C2反經(jīng)過(guò)C1放電，C1,C2的充滿(mǎn)的電荷經(jīng)由D7，D5并連著(zhù)放電。圖3右側是電路輸入電流的仿真結果，能觀(guān)察到每個(gè)周期的輸入線(xiàn)電流從30°到150°和210°和330°角度內連續變化，而150°到210°和330°到360°角度內不連續變化，大多電流的畸變都是在這些不連續的時(shí)間內發(fā)生，如果減少這些畸變，會(huì )進(jìn)一步提高諧波性能。仿真圖看到每個(gè)正負周期內有一個(gè)高的電流尖峰，這也是造成電流畸變的因數之一，可以通過(guò)其它元件來(lái)抑制這個(gè)尖峰，但在大功率應用里，需要平衡好效率和發(fā)熱方面的問(wèn)題。
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3.2 實(shí)驗測試填谷式驅動(dòng)器的功率因數

在常規的BUCK結構上增加了上面介紹的被動(dòng)式填谷電路，這里的元件分別是C1，C2，D2，D3，D4和R2組成，電阻R2可以改幫助改善諧波電流，降低圖3.1仿真結果上的最大電流尖峰，實(shí)驗中主控制降壓芯片用恩智浦公司的SSL21084產(chǎn)品，SSL21084只是把主開(kāi)關(guān)管集成到芯片內部，開(kāi)關(guān)控制方式與SSL2109是完全一樣的，具體線(xiàn)路如圖3.2-1所示：
圖3.2-1右側是20W的LED驅動(dòng)器的測試結果，采用被動(dòng)式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內變化時(shí)，功率因數PF已經(jīng)從原來(lái)的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%，所以在提高功率因數的同時(shí)，效率沒(méi)有明顯的降低。圖3.2-2是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色通道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，很明顯雖然功率因數提高了，但輸入電流波形還是有畸變的，所以總諧波因數不是很好，測試數據顯示總電流諧波在38%，如圖3.2-2右側諧波測試數據所示，第3，5，7，9次奇次諧波值還是非常高。
4 主動(dòng)式LED驅動(dòng)器

主動(dòng)式功率因數校正的方式和特點(diǎn)

主動(dòng)式功率因數校正常規上采用兩極拓撲來(lái)實(shí)現，前級用升壓電路結構，后級直流轉換部分用隔離反激式結構，如圖4.1示，功率因數校正芯片用恩智浦半導體的SSL4101控制器，它運行在臨界導通模式下，恒定導通時(shí)間控制，流過(guò)電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關(guān)系，所以輸入平均電流的相位會(huì )跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數。這種控制環(huán)路可靠度高，常在中、大功率驅動(dòng)器中使用。SSL4101也集成了反激轉換控制功能，如目前常采用準諧振斷續式控制，準諧振工作的特點(diǎn)就是確保主開(kāi)關(guān)上的寄生電容上的電壓降到最低時(shí)導通，降低開(kāi)關(guān)損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。副邊輸出的電壓和電流電平通過(guò)光電耦合器（簡(jiǎn)稱(chēng)光耦）來(lái)回授反饋給原邊控制器。相比填谷式結構，主動(dòng)式功率因數校正設計可以達到更高的功率因數和低的諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動(dòng)設計非常復雜，元件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅動(dòng)器中使用。
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5 單級功率因數校正LED驅動(dòng)器

5.1 采用單級功率因數校正的原因

不管是用填谷方式或主動(dòng)式功率因數校正技術(shù)來(lái)提高功率因數，都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容，已致于元件成本和尺寸在緊湊型的LED燈設計中存在一定的局限性。兩級主動(dòng)式結構雖然能將功率因數和諧波性能實(shí)現得最好，但功率因數校正電路結構較為復雜，使電源的成本和體積增加，由此產(chǎn)生了單級功率因數校正技術(shù)，其拓撲是將功率因數校正電路中的開(kāi)關(guān)元件和后級DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)元件合并和復用，將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）開(kāi)關(guān)器件數減少，主電路體積及成本可以降低；2）控制電路通常只有一個(gè)輸出回路，簡(jiǎn)化了控制回路；3）單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側，不經(jīng)過(guò)兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點(diǎn)，單級功率因數校正電路在中小功率LED驅動(dòng)器中優(yōu)勢非常明顯。

5.2 單級降壓式功率因數校正的工作原理

前面提及了傳統降壓式BUCK結構中功率因數過(guò)低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經(jīng)主開(kāi)關(guān)管上的電流平均值調整成接近于電壓變化的相位，也就是在每個(gè)周期內，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達到高功率因數的目的。

圖5.2所示線(xiàn)路是用來(lái)調整主開(kāi)關(guān)電流的外圍控制線(xiàn)路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發(fā)射極端得到一個(gè)兩倍于市電的頻率，且近似于半正弦波的變化電平，這樣再把這個(gè)電平提供給控制芯片SSL2109電流回授腳，芯片內部再去調制主回路工作頻率，使流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的平均電流形成近似半正弦的形狀。

圖5.2下面曲線(xiàn)是仿真的結果，綠色曲線(xiàn)是橋堆整流后的電壓形狀，紅色曲線(xiàn)和藍色曲線(xiàn)分別是三級管Q1集電極電壓和電流的結果，可以看到，三級管基極電平完全更隨橋式整流后的電壓，由于三級管Q1是PNP型三級管，集電極輸出的電平剛好與而基射的電平相反，故在基極電平從最高幅值到零降低時(shí)，集電極輸出電壓和電流反而由最低漸漸增大至最高幅值，這樣，當這個(gè)電平輸入到芯片電流回授腳后，就可以調整主開(kāi)關(guān)管的電流大小了。

5.3 降壓式結構中驗證單級功率因數調整電路

圖5.3-1是在傳統BUCK降壓式線(xiàn)路上增加了功率因數調整元件，所以芯片電流腳檢測到的信號是主開(kāi)關(guān)管M1和流經(jīng)三級管Q1電流的疊加之和。當整流后的電壓變化時(shí)，流過(guò)三極管Q1的電流也跟隨變化。
圖5.3.1右側是實(shí)驗板上測試得到的工作波形，從上到下各通道依次是：紫色是主開(kāi)關(guān)管柵極的電壓波形，深藍色通道是芯片電流檢測腳的波形，綠色通道是主開(kāi)關(guān)管M1源極上的電流波形，淺藍色通道是輸入電流的波形?？梢钥吹叫酒娏鳈z測腳原來(lái)是一個(gè)恒定的0.5參考電平，現在用外加的功率因數矯正電路后，主開(kāi)關(guān)的平均電流波形被調整為半正弦形狀，原因就是三級管Q1集電極的輸出電平進(jìn)入芯片電流檢測腳后，主開(kāi)關(guān)管上的電流會(huì )先從過(guò)零點(diǎn)漸漸增大至最高幅值，再逐漸被降低到零。這樣輸入電流和輸入電壓的相位基本相似，也接近于交流正弦。
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圖5.3-2是實(shí)驗得到總電流諧波測試的結果只有13%，可以看出相比原降壓和填谷式降壓都有非常大的提高，完全滿(mǎn)足能源之星對LED照明的功率因數要求。本實(shí)驗中選擇的電感為EFD15，感量為700mH，最低工作頻率在70KHz，功率因數0.95，工作效率達到93%以上。
圖5.3.1對比原降壓結構線(xiàn)路圖2.1，在LED燈開(kāi)路保護上也有改進(jìn)，原圖用穩壓管和功率額度較大的可控硅晶閘管來(lái)保護輸出電壓不至于過(guò)高引起輸出電解電容的損壞，其缺點(diǎn)就是，當發(fā)生開(kāi)路時(shí)，主芯片一直是在工作，沒(méi)有停止，保護用的晶閘管的溫度也會(huì )比較高，有一定安全隱患。圖10中只在電感上增加了一個(gè)繞組來(lái)感應輸出電壓的變化，二級管D2整流新增繞組的負向電壓，當LED燈開(kāi)路時(shí)，電解電容C1兩端的電壓上升，新增加的繞組絕對電壓也會(huì )隨之升高，D2整流的負向電壓也會(huì )升高直到穩壓管D4導通，從而將芯片NTC腳電平拉低到0V，主開(kāi)關(guān)停止工作，芯片進(jìn)入保護模式。所以這種開(kāi)路保護相比原保護要更簡(jiǎn)單和可靠。

5.4 反激式結構中驗證單級功率因數調整電路

當然，單級降壓結構中的功率因數矯正的外圍線(xiàn)路也可以用到隔離反激式結構中，因為，在一部分LED照明中，隔離反激式結構的設計需求也是非常多的。圖5.4是試驗在隔離反激式結構的數據，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，從測試出來(lái)的結果看到，功率因數和諧波電流與在降壓式結構中得的結果基本相同，都能做到功率因數（PF）值大于0.9和諧波電流小于20%的性能。
6 總結

6.1 概括對比三種功率因數校正方式的特點(diǎn)

前面分別對三種功率因素校正結構做了介紹和相關(guān)實(shí)驗，可以看出各結構都有其自身的特點(diǎn)，表6.1對三種功率因數校正方式做了比較說(shuō)明，功率因數和諧波性能最好的是主動(dòng)式功率因數矯正反激式轉換結構，但其缺點(diǎn)是線(xiàn)路復雜度和元件成本比其它兩種都要高；填谷式功率校正結構的缺點(diǎn)就是功率因數不夠高，諧波性能還是不好，元件成本雖然比主動(dòng)式結構低，但還是比單極式結構要高；單級功率因數校正結構在諧波和功率因數性能上能完全滿(mǎn)足IEC63000-3-2的要求，其功率因數調整方式不僅結構簡(jiǎn)單，而且外圍元件成本也最低；另一方面，在單級調整式結構中，因為橋式整流后的濾波電容容量很小，一般100~200nF左右，所以，輸出電流的低頻紋波會(huì )比前面兩種結構都要大一些，不過(guò)可以通過(guò)加大輸出端電容容量來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
6.2 結論

本文就LED照明驅動(dòng)器的設計做了相關(guān)探討和研究，特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數和低電流諧波性能，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)際實(shí)驗論證，證明出在傳統降壓式結構上改進(jìn)出的單級功率因數調整式結構是可以完全達到高功率因數和低諧波的性能，也能容易地應用于LED照明驅動(dòng)器的實(shí)際設計。

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