劉毅清

（廈門市產品質量監(jiān)督檢驗院，福建 廈門361000）

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風能、太陽能、生物能源等成為熱點。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經濟、技術風險等不確定因素，所以各國政府都在積極發(fā)展LED照明產業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產品的應用研究，倡導產品降低能耗、提高效率、促進節(jié)能技術創(chuàng)新等工作。基于LED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅動電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為LED光電照明產業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關鍵技術問題。

中國的國家推薦性標準 GB／T24825－2009“LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求”中規(guī)定：達到能效1級的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應不小于88%（P＞25 W）；電源產品電磁干擾（EMI）性能應符合國家強制性標準 GB17625.1－2003／IEC61000－3－2：2001“電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值”和GB17743－2007“電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法”的相關要求。美國能源之星照明燈具規(guī)范（ENERGY STAR?Program Requirements Product Specification for Lu minaires）中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9。

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個驅動電源，驅動電源的性能直接關系到LED光源的性能。在全球提倡“節(jié)能減排”和“綠色電子”的大背景下，如何設計一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅動電源是當今廣泛關注的熱點問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正（PFC）電路，臨界模式（boundary mode）的AC／DC單級反激式的電源供應器拓撲，通過正確設定相關參數(shù)，可在兼顧電源品質與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

1 單級AC／DC拓撲結構及原理

AC／DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1。工作原理：開關管MOS驅動著反激式儲能隔離變壓器T，MOS導通時變壓器T儲能，關斷時變壓器T次級繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導通、關斷時間規(guī)律，可實現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC／DC反激式變換器原理圖

電路拓撲如圖2所示。

圖2 電路拓撲圖

圖2 中：Lm為變壓器初級勵磁電感，Lr為漏電感，初級電感LP＝Lm＋Lr，次級電感為LS。

1.1 SPWM調制原理

如圖2所示，市電經全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調制原理分析如圖3：IQ為MOS管在某一時刻的導通電流，IQ（sin）＿PK是 MOS的峰值電流，ID為次級二極管在 MOS管關閉時刻的續(xù)流，ID（sin）＿PK是二極管的峰值電流。

在調制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導通下一個驅動脈沖工作方式，以保障每個開關周期里T＝TON＋TOFF。

如調制圖3，設市電輸入正弦波電壓：

圖3 SPWM調制圖

把市電輸入電壓離散化，則設第N個點時，圖中△ABE所示，MOS導通，電壓與電感勵磁電流的關系如下：

若N足夠大時，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設導通時間為常數(shù)：TON＿N＝ 常數(shù)（const），則上述 MOS導通電流各點峰值IQ（sin）＿pk組成的包絡就形成了正弦規(guī)律。

次級二極管瞬時峰值電流為ID（t），根據(jù)勵磁電流引起的磁通不能突變原則可知：ID（t）＝n IQ（t）＝nIQ（sin）＿pksinωt，且等式LP＝n2LS成立，其中參數(shù)n為變壓器的初、次級匝數(shù)比。

根據(jù)變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級伏秒規(guī)則如下：

式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向導通壓降。

且根據(jù)：T＝TON＋TOFF

設在第 N 點對IQ（sin）＿pk＿N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

在時間為連續(xù)時可等效為連續(xù)輸入電流：

則市電輸入電流：IIn（t）＝IQ（sin）＿AV（t）

由上幾個等式可得到：

設：UR＝n（Uo＋UF）并定義：UR為反射電壓。

則可得輸入電流的表達式：

由輸入電流表達式可見：在開關管按恒定導通時，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關，即T HDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數(shù)比n（這里n＝N1／N2）等。

根據(jù)上述表達式把輸入電流正弦波特性與Rvr關系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數(shù)值越小時，輸入電流就越正弦，失真度就越?。环粗畡t正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

1.2 高功率因數(shù)輸入的器件優(yōu)化選擇原則

設定輸入電壓為純凈正弦波，輸入功率因數(shù)和諧波電流關系如下式：

式中，θ為基波電壓與基波電流的相角差；這里可設cosθ＝1。把以上關系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和T HDI值繪圖，如圖5、圖6所示，由關系圖可知：Rvr值越小對功率因數(shù)和諧波電流越好，但是從系統(tǒng)性價比來看，Rvr并非越小越好；這是因為：由電流表達式可知，Rvr小就意味著反射電壓UR高，匝數(shù)比N要求也大，也就是說MOS關斷所承受的反峰電壓就高，而相對于二極管D反向電壓值要求反而小，反之若Rvr值過大，則PF值和THDI值差，但是對 MOS電壓要求低而二極管耐壓則相對要求高，過度要求Rvr值對系統(tǒng)安全和器件優(yōu)化選擇是不利的，要從優(yōu)化系統(tǒng)性能與成本的角度出發(fā)去選擇N值。

允許MOS關斷電壓、二極管反向電壓、匝數(shù)比N三者之間存在直接關聯(lián)，圖7是一個設計案例中得到的三者關聯(lián)仿真圖（設計交流輸入最大265 V，直流輸出50 V）。如圖7所示：按照器件的最佳性價比，推薦器件的選擇區(qū)域和變壓器的匝數(shù)比為圖中陰影部分是比較理想的。

圖5 功率因數(shù)仿真曲線圖

圖6 諧波失真度仿真曲線圖

圖7 功率器件參數(shù)選擇圖

2 單級AC／DC主要參數(shù)設計

在單級AC／DC的設計中，儲能電感、變壓器規(guī)格、氣隙長度等參數(shù)的選擇直接影響驅動電源的性能參數(shù)，本文通過理論計算和經驗判斷相結合，得出合適的參數(shù)。

（1）儲能電感值LP確定

最低頻率取50 k Hz，最大導通時間取10μs。

（2）變壓器參數(shù)規(guī)格

DC／DC單級反激式變壓器的功率容量乘積表達式：

式中，P為輸入功率，單位W；f為工作頻率，單位Hz；△B為工作磁通密度，單位GS；Km為窗口填充系數(shù)；δ為電流密度，單位A／c m2；△T為開關管導通時間，單位s。

理論計算得出來的AP值還要增加相應余量才能作為正確的取值，此時經驗判斷在應用中比較重要，由于磁材廠家在這方面有非常好的經驗數(shù)據(jù)，因此，選取變壓器只要在設計時確定電路參數(shù)如頻率、功率等，就可以方便快速地從變壓器廠家的規(guī)格推薦表中選取所需的型號。

本設計：輸出功率75 W，最低頻率65 k Hz，根據(jù)TDK規(guī)格書，選取PQ3230。

（3）氣隙的確定

根據(jù)如下儲能公式確定氣隙長度Lg。

式中，Ae為170 mm2，Bm取1 950 GS，則計算出Lg為0.35 mm，但在實際設計時會有10%的誤差，可以實際修正。

（4）由氣隙確定變壓器的AL值

由于磁芯規(guī)格和氣隙已確定，可以通過給磁芯繞一定的匝數(shù)來確定AL值。

（5）初級匝數(shù)n

根據(jù)：Lm＝ALn2

本設計：取55匝。

（6）根據(jù)允許的紋波電壓，確定輸出濾波電容

本設計：取3 000μF／100 V。

（7）匝數(shù)比N取值

由上面的仿真圖和經驗數(shù)據(jù)，兼顧功率器件特別是系統(tǒng)特性指標的性價比，本設計案例Rvr可以取值2，根據(jù)反射電壓公式得出N值為2，Rvr確定后，查曲線可得PF值大約為0.95，T HDI≤20% 左右，這對于小功率的直流供應器來說是很好的指標，優(yōu)于目前國內外各種標準要求。

（8）功率開關器件MOS與二極管的確定

當N值、漏感確定、輸出電壓確定后，反射電壓、漏抗引起的反峰電壓就能確定，則確定MOS、二極管等耐壓值就很容易算出；根據(jù)功率規(guī)格，計算出電流大小，則確定MOS、二極管電流值就很容易算出。

本例：MOS電壓要求等于輸入市電峰值電壓＋反射電壓＋漏感引起的反向電壓，則?。?1 A，800 V，型號：SDA11 NS0C3二極管 Diode取：20 A，200 V，型號：MBR20200CTG。

3 實驗驗證

按照以上的參數(shù)設計，本文提出的LED驅動電源通過小批量試驗和批量生產，產品性能穩(wěn)定、可靠性好。典型試驗波形如圖8、圖9所示，T HDI＝16.9%，實測PF＝0.967，由于采用BCM模式，出現(xiàn)了電流紋波，但對電源綜合性能影響不大。產品經國家LED質檢中心檢驗，各項技術指標都優(yōu)于相關國家標準要求。其中，電源效率大于90%，達到能效1級；功率因數(shù)大于0.95，符合能源之星規(guī)范限值要求；諧波電流符合國 家 強 制 性 標 準 GB17625.1－2003／IEC61000－3－2：2001限值要求；傳導騷擾和輻射騷擾符合國家強制性標準GB17743－2007限值要求。

圖8 輸入電流的諧波含量

圖9 市電（全橋整流后）與輸入電流

4 結 論

高性價比、高效率LED技術的日新月異，LED照明也得以快速發(fā)展；相應的照明工程需要兼顧系統(tǒng)能效、功率因素、諧波電流等多種因素，這就要求其選擇合適的LED驅動電源解決方案。為此，本文提出采用臨界模式（boundary mode）的AC／DC單級反激式的電源拓撲，通過理論計算和經驗分析確定合理的變換參數(shù)，設計了一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅動電源。該驅動電源同時還具有主開關MOS管實現(xiàn)低電壓零電流導通，整流二極管實現(xiàn)零電流關斷并避開其負面的反向恢復特性，可以顯著提高其工作效率、降低損耗和減小系統(tǒng)電磁干擾。通過實驗驗證和批量生產證明本方案設計合理、產品性能穩(wěn)定、可靠性好，有效提高能效、避免建筑物內高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染，適合批量生產，對于LED照明驅動電源、其它電源供應器廠家和電源設計者具有很好的參考價值。

［1］ FAIRCHILD.A High Power Factor Flyback with Constant Current Output for LED Lighting Applications［Z］.美國仙童公司技術手冊，2010.

［2］ 謝沐田.高低頻變壓器設計［Z］.臺灣全華科技圖書股份有限公司，2002.

［3］ 陳一逢.高性能軟開關功率因數(shù)較正電路的設計［J］.電源技術應用，2004，59（1）：35－37.