LED灯高功率因数驱动器的设计方案(一)

随着LED灯在众多领域里的应用，譬如商业照明和家庭照明，LED照明已全面有取代传统白炽灯和荧光灯之势，因为相比传统照明，LED照明尽管在价格上偏贵于传统照明，但它具备节能，光效高，寿命长，无污染等显着优点，所以，LED照明能在短时内被市场认同。另外，随着能源资源无节制地消耗，带有节能性能的照明产品已受到政府组织的推广，一些国家的能源组织也有发布相关政策，补贴满足其标准的照明产品。如商业照明产品功率因数大于0.9,家用大于0.7就是美国能源之星的强制要求之一。所以在关注LED灯高光效，长寿命特点的同时，在保证低元器件成本的前提下，设计出具有高功率因数且性能高可靠LED驱动方案变得尤为重要。

1 LED照明的发展概述

消费者从传统照明转换到LED照明是已经被认为是大势所趋，有文章指出，LED照明相比白炽灯可以节省80%的能源，其寿命可以长至10年-20年之久。另外，LED灯相比紧凑性节能灯，不含有对环境有害的物质，如水银，汞等重金属物质，也没有像节能灯(CFL)在启动时暖灯时间长的问题，所以在全球资源紧张的大环境下，平衡到对环境与能源的厉害关系，政策上也会加速推广LED照明，因为LED照明在发光原理、节能、环保的层面上都远远优于传统照明产品，尽管短时间内LED照明的成本很高，譬如传统60W白炽灯零售价格只有7W LED灯的1/10还不到，所以家庭用户现阶段对LED灯的价格承受能力还是有限的，但另一方面，在大多新建设中的商业照明市场中，如酒店和商场都使用了LED照明，已鲜见再有传统照明的影子。

本文就将主要探讨LED照明的驱动部分，怎样降低输入电流谐波，提高输入功率因数。发达国家在照明领域里的能源问题已非常重视，譬如欧洲能源标准EVP5和美国能源之星在这方面已明确规定，住宅照明驱动器的功率因数PF必须大于0.7,商业照明大于0.9的强制性要求。

2 降压式LED驱动器

2.1 介绍说明降压式LED驱动器

三种常用的基本电源转换结构通常是指降压BUCK,升压BOOST和升降压BOOK-BOOST结构，它们都是非隔离式的，输入和输出电压共同接在同一地线上。每种结构都有其自身的特性，如静态电压转换率，输入输出电流特性，输出电压纹波和最重要的频率响应特性，最普遍和最简单的结构要数降压式BUCK结构，通常设计时选择降压结构是基于LED上的输出电压总是小于输入电压，并且可以用非隔离式结构。这里再提一下降压式结构的另外一个特点，因为主开关管的电流在每个开关周期内都是由零上升到额定值，所以它的输入电流总是非连续的，而输出电流时连续的，这是由于输出电流是依靠电感和输出端的电容会提供的。

在实际LED驱动器设计中，对于中、高LED电压输出都会采用降压式结构，因为不仅结构简单，而且元件成本和转换效率上有明显的优点，所以其应用非常广。

图2.1:降压结构线路图和测试值

图2.1是一个常规的BUCK降压式线路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器，原理图上可以看出它的外围元件非常少，电路非常简单，电感只需要一个绕组，不像其它控制器必须依靠另外的辅助绕组给芯片供电，这里它是采用了一颗高压瓷片电容C5,连接到主开关管栅极来进行充电，所以芯片启动后，正常工作的电平都来自于这颗电容的作用。效率方面，它能达到90%以上，不足之处就是功率因数只有0.55左右，如图2.1右侧上的曲线所示。

2.2 降压式结构LED驱动器的工作原理

降压BUCK电路的主要运行波形图如图2.2所示，紫色通道是通过主开关管Q1的漏、源极间的电流波形，绿色通道是主开关管Q1的漏极电压波形，蓝色通道是输入电流波形，黄色通道是输入电压的波形。

图2.2:降压结构测试波形

可以看到流过主开关管的电流平均值基本是一条水平线，主要原因是整流后的滤波电容(C1,C2)容量很大，其充满后的存贮电压足够已在整个周期内泄放，所以输入电压总是会高于输出电压，每个周期内流过开关管的电流通过电阻R5转换成电压信号与芯片脚4检测比较，一般芯片内部的电流参考脚的电平是一个固定值，通常0.5V左右，当达到参考值后，主开关管就停止工作，再等待下一个开通信号，就是检测到开关管上的最低谷底电压时，芯片再提供开通驱动信号给主开关管的栅极。所以，开关管每个周期的电流大小基本一致，这也就造成输入线上电流(图2.2中的浅蓝色通道)的变化不是跟随输入电压(图2.2中的黄色通道)的变化而变化，所以在这种设计里，输入功率因数会非常低，电流谐波也很大。

3 填谷式LED驱动器

3.1 填谷式结构中功率因数校正的原理

为了满足能源之星和IEC(国际电工委员会的简称)相关要求，早期大多设计者采用被动填谷方式来提高输入功率因数，大致电路结构如下图3.1所示：

图3.1:填谷式结构线路图和仿真结果[p]

元件C1,D5,C2,D7,D6组成主要填谷电路，每个周期内交流电经由桥堆D1~D4整流后，给C1,C2串联着充电，D6防止C2反经过C1放电，C1,C2的充满的电荷经由D7,D5并连着放电。图3右侧是电路输入电流的仿真结果，能观察到每个周期的输入线电流从30°到150°和210°和330°角度内连续变化，而150°到210°和330°到360°角度内不连续变化，大多电流的畸变都是在这些不连续的时间内发生，如果减少这些畸变，会进一步提高谐波性能。仿真图看到每个正负周期内有一个高的电流尖峰，这也是造成电流畸变的因数之一，可以通过其它元件来抑制这个尖峰，但在大功率应用里，需要平衡好效率和发热方面的问题。

3.2 实验测试填谷式驱动器的功率因数

在常规的BUCK结构上增加了上面介绍的被动式填谷电路，这里的元件分别是C1,C2,D2,D3,D4和R2组成，电阻R2可以改帮助改善谐波电流，降低图3.1仿真结果上的最大电流尖峰，实验中主控制降压芯片用恩智浦公司的SSL21084产品，SSL21084只是把主开关管集成到芯片内部，开关控制方式与SSL2109是完全一样的，具体线路如图3.2-1所示：

图3.2-1:填谷式降压结构线路和测试结果

图3.2-1右侧是20W的LED驱动器的测试结果，采用被动式填谷电路后，当输入电压从200V到265V内变化时，功率因数PF已经从原来的0.6提高到了0.9以上，效率也能达到92%,所以在提高功率因数的同时，效率没有明显的降低。图3.2-2是输入电压和输入电流的波形图，绿色通道是输入电压波形，浅蓝色通道是输入电流波形，很明显虽然功率因数提高了，但输入电流波形还是有畸变的，所以总谐波因数不是很好，测试数据显示总电流谐波在38%,如图3.2-2右侧谐波测试数据所示，第3,5,7,9次奇次谐波值还是非常高。

图3.2-2:填谷降压式结构测试波形和谐波结果

4 主动式LED驱动器

主动式功率因数校正的方式和特点

主动式功率因数校正常规上采用两极拓扑来实现，前级用升压电路结构，后级直流转换部分用隔离反激式结构，如图4.1示，功率因数校正芯片用恩智浦半导体的SSL4101控制器，它运行在临界导通模式下，恒定导通时间控制，流过电感电流与桥堆整流后的电压成正比例关系，所以输入平均电流的相位会跟随输入电压，得到非常高的功率因数。这种控制环路可靠度高，常在中、大功率驱动器中使用。SSL4101也集成了反激转换控制功能，如目前常采用准谐振断续式控制，准谐振工作的特点就是确保主开关上的寄生电容上的电压降到最低时导通，降低开关损耗，并对电磁辐射有一定程度的帮助。副边输出的电压和电流电平通过光电耦合器 (简称光耦)来回授反馈给原边控制器。相比填谷式结构，主动式功率因数校正设计可以达到更高的功率因数和低的谐波电流，输出LED电流纹波也非常低。但是这种两级结构的驱动设计非常复杂，元件成本也很高，一般只适合在功率大于75W以上的LED驱动器中使用。

图4:两级主动式功率因数校正结构图