工程師淺談如何執行高功率因數的LED驅動器設計

1 LED照明的發展概述

消費者從傳統照明轉換到LED照明是已經被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節省80%的能源，其壽命可以長至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節能燈，不含有對環境有害的物質，如水銀，汞等重金屬物質，也沒有像節能燈(CFL)在啟動時暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環境下，平衡到對環境與能源的厲害關系，政策上也會加速推廣LED照明，因為LED照明在發光原理、節能、環保的層面上都遠遠優于傳統照明產品，盡管短時間內LED照明的成本很高，譬如傳統60W白熾燈零售價格只有7W LED燈的1/10還不到，所以家庭用戶現階段對LED燈的價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照明市場中，如酒店和商場都使用了LED照明，已鮮見再有傳統照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅動部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數。發達國家在照明領域里的能源問題已非常重視，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，住宅照明驅動器的功率因數PF必須大于0.7，商業照明大于0.9的強制性要求。

2 主動式LED驅動器

主動式功率因數校正常規上采用兩極拓撲來實現，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，恒定導通時間控制，流過電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關系，所以輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數。這種控制環路可靠度高，常在中、大功率驅動器中使用。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，準諧振工作的特點就是確保主開關上的寄生電容上的電壓降到最低時導通，降低開關損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。

圖1：兩級主動式功率因數校正結構圖

3 單級功率因數校正LED驅動器

3.1 采用單級功率因數校正的原因

不管是用填谷方式或主動式功率因數校正技術來提高功率因數，都有其各自的優缺點，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。兩級主動式結構雖然能將功率因數和諧波性能實現得最好，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，由此產生了單級功率因數校正技術，其拓撲是將功率因數校正電路中的開關元件和后級DC-DC變換器的開關元件合并和復用，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點：1)開關器件數減少，主電路體積及成本可以降低;2)控制電路通常只有一個輸出回路，簡化了控制回路;3)單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側，不經過兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點，單級功率因數校正電路在中小功率LED驅動器中優勢非常明顯。

3.2 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結構中功率因數過低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經主開關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2所示線路是用來調整主開關電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發射極端得到一個兩倍于市電的頻率，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，使流過主開關管的平均電流形成近似半正弦的形狀。

圖2：單級功率因數調整電路

3.3 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3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。

圖3：功率因數調整線路在反激結構應用結果

4 總結

本文就LED照明驅動器的設計方案做了相關探討和研究，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，經過理論分析和實際實驗論證，證明出在傳統降壓式結構上改進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照明驅動器的實際設計。