金永鎬, 金銀實(shí)

(延邊大學(xué)工學(xué)院 電子信息工程系，吉林 延吉 133002)

1 引言

隨著固態(tài)照明的興起與不斷發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)因具有高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)今照明技術(shù)的優(yōu)選光源，并逐漸被應(yīng)用于照明[1]。LED是半導(dǎo)體二極管元件，伏安特性為非線性，由于LED壓降具有負(fù)溫度特性，因此微小的電壓改變量，也會(huì)產(chǎn)生很大的電流變化量，一旦電流超過(guò)它的額定值就會(huì)損壞LED[2]。小功率白光LED的正向電壓范圍一般為2.8～4V，根據(jù)不同的輸出功率其工作電流為20mA、90 mA、150mA等，為了延長(zhǎng)其使用壽命，系統(tǒng)采取恒流驅(qū)動(dòng)的方法[3]。

目前，LED燈的驅(qū)動(dòng)電源通常采用NCP1200和HV9910專用控制芯片設(shè)計(jì)，這種芯片利用內(nèi)部的控制電路自動(dòng)產(chǎn)生工作電壓，無(wú)需外部降壓電路，因此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。但一次整流部分采用簡(jiǎn)單的橋式整流后利用電容濾波的方法，因此整流后再進(jìn)行濾波時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流和大量的諧波，致使功率因數(shù)降低[4]。利用早期的APFC專用控制芯片L6561可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流，但它需要使用耦合電感、功耗較大、無(wú)自供電功能、外圍元件較多，因此使用很不方便[5]。

本文中利用NCP1200所設(shè)計(jì)的LED照明燈驅(qū)動(dòng)電路，不使用專用的APFC芯片，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)整流和恒流驅(qū)動(dòng)功能。

2 NCP1200的工作特性

APFC的整流方式有電流峰值控制法、電流滯環(huán)控制法、平均電流控制法等三種。NCP1200具有電流控制端和電壓控制端，非常適合進(jìn)行電流峰值控制，圖1為NCP1200的內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖。

圖1 NCP1200的內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖Fig.1 Internal circuit diagram of NCP1200

圖1中，I-sense端檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電流峰值，并將其通過(guò)L.E.B傳送到內(nèi)部比較器U1A中進(jìn)行比較。比較電壓由內(nèi)部5.2V電壓源經(jīng)過(guò)8K、60K、20K電阻分壓后提供，改變范圍是0～1V。當(dāng)FB端懸空時(shí)，電壓約為4.7V；如果控制FB端按正弦波規(guī)律變化，則開(kāi)關(guān)電流的峰值也按近似的正弦波規(guī)律改變；在電流連續(xù)的工作模式下，平均電流按近似的正弦波規(guī)律改變。

ADJ端的內(nèi)部比較電壓設(shè)定為1.4V，當(dāng)FB端的電壓低于1.4V時(shí)，自動(dòng)采用“跳頻”方式工作。APFC方式整流時(shí)，如果ADJ端接地，則芯片在正弦波的1.4V以下低幅度處進(jìn)行跟蹤，此時(shí)的電流波形較好，但低壓時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降較大，功率管損耗較大；如果開(kāi)路，則芯片在正弦波的1.4V以下低幅度處跳頻跟蹤，此時(shí)的電流波形較差，但功率管的開(kāi)關(guān)損耗較小。

3 LED驅(qū)動(dòng)電路

3.1 組成框圖

圖2為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的組成框圖，整個(gè)系統(tǒng)以反激式升壓方式工作。220V交流電經(jīng)過(guò)整流橋整流后提供給開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)工作。電感兩端的電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后提供給116個(gè)LED燈組，同時(shí)經(jīng)過(guò)限流電阻后將電流值提供給波形幅度控制器，以便控制電流幅度達(dá)到恒流驅(qū)動(dòng)的目的。為了實(shí)現(xiàn)交流電壓與電流同相，從交流電中取正弦波電壓波形經(jīng)過(guò)波形幅度控制器后提供給NCP1200進(jìn)行控制。在圖2中，波形幅度控制器是實(shí)現(xiàn)APFC方式整流的關(guān)鍵。

圖2 大功率LED驅(qū)動(dòng)電路的組成框圖Fig.2 Composition diagram of high-power LED driving circuit

3.2 波形幅度控制器的工作原理

在專用的APFC整流方式的器件中(如L6561)，采用乘法器將誤差電壓與正弦波相乘后可得到正弦規(guī)律改變的誤差電壓控制開(kāi)關(guān)管。由于組成模擬乘法器的電路較復(fù)雜，因此可利用三極管實(shí)現(xiàn)正弦波幅度控制，圖3為幅度控制電路圖，R5為反饋電阻，使控制的波形更接近于正弦波。

圖3 幅度控制電路Fig.3 Circuit of amplitute controling

由圖3可知，流入三極管的電流為I1和I2之和，因此式(1)成立。

Ic=(Ui-U)/R1+(5.2-U)/R8

(1)

式(1)中Ic=f(U)|Ib=K，整理后得出

U=K1(R8Ui+5.2R1-R1R8Ic)

(2)

式(2)中Ui為交流電整流后的全波電壓，K1=1/(R1+R8)。

Ic是隨U改變的量，具有非線性特性，圖4為U改變時(shí)，根據(jù)Ic的變化規(guī)律分為4個(gè)區(qū)域表示的近似折線圖。

圖4 三極管輸出特性曲線分區(qū)圖Fig.4 Output characteristic curve zoning map of transistor

圖4中，前3個(gè)折線區(qū)的等效電阻分別設(shè)為R21、R22、R23，且滿足R21

(3)

圖5 控制幅度時(shí)仿真圖Fig.5 Simulation diagram of magnitude controling

圖6是Ub分別為1.1V、1.3V、1.5V時(shí)FB點(diǎn)的輸入波形圖。1.1V時(shí)，三極管輕微導(dǎo)通，F(xiàn)B點(diǎn)的輸入波形幅度達(dá)到最大(滿載工作)；1.5V時(shí)，三極管飽和，此時(shí)FB點(diǎn)的輸入波形的幅度取決于R1、R5值(輕載工作)，雖然在整個(gè)幅度控制范圍內(nèi)低電壓處有一些失真出現(xiàn)，但跟蹤特性良好。

圖6 控制幅度時(shí)實(shí)際波形圖Fig.6 Actual waveforms of magnitude controling

3.3 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖7為驅(qū)動(dòng)電路。電源的負(fù)載由116個(gè)LED串聯(lián)組成。本實(shí)驗(yàn)使用的是依斯威爾(ITSWELL)產(chǎn)的SMD狀的0.3W白光LED燈，每個(gè)燈組內(nèi)有3個(gè)LED，每個(gè)LED的正向電壓范圍為2.8～3.6V，工作電流為30mA。每個(gè)LED的實(shí)測(cè)電壓為3V，3個(gè)并聯(lián)的電流為90mA，因此需要3×116=348V的驅(qū)動(dòng)電壓，另外考慮到取樣電阻R3的6V壓降，因此實(shí)際輸出電壓為354V，總功率約為32W。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Driving circuit

分壓電路由R1和NCP1200的FB端的內(nèi)部電阻及Q2組成，把電源電壓的整流波形分壓后提供給FB端，使芯片跟蹤FB端波形工作，從而獲得近似為正弦波的工作電流。C3為濾波電容，它的作用是把波形中的高頻干擾信號(hào)濾除。

工作時(shí)，當(dāng)R3兩端電壓超過(guò)(Uz+0.6)V時(shí)(Uz為穩(wěn)壓管D7的穩(wěn)壓值，0.6為三極管Q2的PN結(jié)壓降)，Q2工作開(kāi)始降低FB端的電壓，通過(guò)內(nèi)部比較器進(jìn)行比較后，減小芯片輸出的PWM波的占空比，降低LED燈組的電流，從而實(shí)現(xiàn)了恒流控制。另外，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中向負(fù)載提供的功率由兩個(gè)部分組成(一是開(kāi)關(guān)管截止時(shí)電源電壓直接提供給負(fù)載的部分，二是電感儲(chǔ)存的能量)。由于存在電源電壓直接提供給負(fù)載的能量，因此大大減輕開(kāi)關(guān)管和電感的電流負(fù)擔(dān)，輸入電壓越高，負(fù)擔(dān)越小。

由圖7可知，R3的值可由式(4)求出。

R3=(Uz+0.6)/I

(4)

Uz=4.7V，Q2的PN結(jié)壓降為0.6V，恒流控制電流I為90mA，計(jì)算可得R3=59Ω。紋波電流ΔI取I的10%時(shí)，紋波電壓ΔU=ΔI×R3=0.6V，紋波系數(shù)k=ΔU/U0=0.17%。

利用一階電路全響應(yīng)公式

(5)

式(5)中,U0為初始電壓(U0=354V)，Us為電源電壓，電容C2通過(guò)負(fù)載放電，所以Us=0，可得

(6)

式(6)中，紋波系數(shù)k=0.17%,f=60KHz,負(fù)載等效電阻R=354/0.09=3933Ω，代入?yún)?shù)可得C=2.5μF，一般工程上使用標(biāo)準(zhǔn)值的1～2倍的電容，但考慮到寬電壓范圍工作，因此C2取標(biāo)稱值為10μF/400V的電容。

4 實(shí)驗(yàn)波形

圖8～圖10為輸入電壓不同時(shí)B點(diǎn)的電壓波形和C點(diǎn)的電流波形圖。從圖中可以看出導(dǎo)通角很大，因此大大提高功率因數(shù)。當(dāng)輸入電壓為150V時(shí)，電流的波形很接近正弦波，呈現(xiàn)良好的跟蹤特性。

圖8 輸入電壓150V時(shí)各點(diǎn)的工作波形圖Fig.8 Working waveform diagram of the points under input voltage at 150V

圖9 輸入電壓220V時(shí)各點(diǎn)的工作波形圖Fig.9 Working waveform diagram of the points under input voltage at 220V

圖10 輸入電壓250V時(shí)各點(diǎn)的工作波形圖Fig.10 Working waveform diagram of the points under input voltage at 250V

當(dāng)輸入電壓為220～250V時(shí)，過(guò)零低壓處的電流為0，此時(shí)的跟蹤特性較差，但其他部分電流連續(xù)。

以上波形圖是工作電壓為150V～250V寬電壓范圍內(nèi)工作時(shí)得到的，如果工作電壓改為180V～250V的較窄的范圍，則在220V時(shí)可得到較接近正弦波的電流波形。

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)可知，這種電路在交流150V～250V寬電壓范圍內(nèi)，可輸出32W的直流功率，以恒流方式驅(qū)動(dòng)LED工作時(shí)，輸入電流近似為正弦波，電路穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單，可廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)5～32W的LED照明燈的場(chǎng)合。

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