工程师浅谈如何执行高功率因数的LED驱动器设计

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 主动式LED驱动器 　　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。 图1：两级主动式功率因数校正结构图 　　3 单级功率因数校正LED驱动器 　　3.1 采用单级功率因数校正的原因 　　不管是用填谷方式或主动式功率因数校正技术来提高功率因数，都有其各自的优缺点，如填谷式电路中需要使用大容值的高压电解电容，已致于元件成本和尺寸在紧凑型的LED灯设计中存在一定的局限性。 　　两级主动式结构虽然能将功率因数和谐波性能实现得最好，但功率因数校正电路结构较为复杂，使电源的成本和体积增加，由此产生了单级功率因数校正技术，其拓扑是将功率因数校正电路中的开关元件和后级DC-DC变换器的开关元件合并和复用，将两部分电路合二为一。 　　因此单级功率因数变换器有以下优点：1)开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低；2)控制电路通常只有一个输出回路，简化了控制回路；3)单级变换器拓扑中部分能量可以直接传递到输出侧，不经过两级变换，所以效率要高于两级变换器。由于以上特点，单级功率因数校正电路在中小功率LED驱动器中优势非常明显。 　　3.2 单级降压式功率因数校正的工作原理 　　前面提及了传统降压式BUCK结构中功率因数过低的主要原因，所以这里就是要解决怎样把流经主开关管上的电流平均值调整成接近于电压变化的相位，也就是在每个周期内，让电流跟随电压的变化而变化，从而达到高功率因数的目的。 　　图2所示线路是用来调整主开关电流的外围控制线路的仿真图，电路原理是在三级管Q1发射极端得到一个两倍于市电的频率，且近似于半正弦波的变化电平，这样再把这个电平提供给控制芯片SSL2109电流回授脚，芯片内部再去调制主回路工作频率，使流过主开关管的平均电流形成近似半正弦的形状。 图2：单级功率因数调整电路 　　3.3 反激式结构中验证单级功率因数调整电路 　　当然，单级降压结构中的功率因数矫正的外围线路也可以用到隔离反激式结构中，因为，在一部分LED照明中，隔离反激式结构的设计需求也是非常多的。图3是试验在隔离反激式结构的数据，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，从测试出来的结果看到，功率因数和谐波电流与在降压式结构中得的结果基本相同，都能做到功率因数(PF)值大于0.9和谐波电流小于20%的性能。 图3：功率因数调整线路在反激结构应用结果 　　4 总结 　　本文就LED照明驱动器的设计方案做了相关探讨和研究，特别是解决了如何用低成本的方法获得的高功率因数和低电流谐波性能，经过理论分析和实际实验论证，证明出在传统降压式结构上改进出的单级功率因数调整式结构是可以完全达到高功率因数和低谐波的性能，也能容易地应用于LED照明驱动器的实际设计。