LED燈高功率因數驅動器的設計

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)在啟動時亮度暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環境下，平衡與環境能源厲害關系，政策上加快往LED照明上傾斜。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，在大多新建設中的商業照明市場中，如酒店和商場都使用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，在用常規驅動的方式下，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因子。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子PF必須大于0.7、商業照明大于0.9的強制性要求。

　　降壓式LED驅動器說明

　　三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK，升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地在線。通常設計時選擇降壓結構是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結構。在實際LED驅動器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會采用降壓式結構，因為不僅結構簡單，而且組件成本和轉換效率上有明顯的優點，所以其應用非常廣。

圖1 降壓結構測試波形

　　降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖1所示，紫色通道是通過主開關管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開關管Q1的漏極電壓波形，藍色信道是輸入電流波形，黃色信道是輸入電壓的波形。

　　可以看到流過主開關管的電流平均值基本是一條水平線，主要是整流后的濾波電容(Ｃ１，Ｃ２)容量很大，其充滿后的存貯電壓足夠已在整個周期內泄放，所以輸入電壓總是會高于輸出電壓，每個周期內流過開關管的電流通過電阻R5轉換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內部的電流參考腳的電平是一個固定值，當達到參考值后，主開關管就停止工作，等檢測到開關管上的最低谷底電壓時，芯片再提供開通驅動信號給主開關管柵極。所以，開關管每個周期電流大小基本一致，造成輸入在線電流（圖1中的淺藍色通道）的變化不是跟隨輸入電壓的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因子會非常低，電流諧波也很大。

　　填谷式LED驅動器

　　為了滿足能源之星和IEC(國際電工委員會的簡稱)相關要求，早期大多設計者采用被動填谷方式來提高輸入功率因子，大致電路結構如下圖2所示：

圖2 填谷式結構線路圖和和仿真結果　　采用被動式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內變化時，功率因子PF已經從原來的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%，所以在提高功率因子的同時，效率沒有明顯的降低。圖3是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色信道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，雖然功率因子提高了，但輸入電流波形還是畸變的，總諧波因子不是很好，測試數據顯示總電流諧波在38%，如圖3右側諧波測試資料所示。

圖3 填谷降壓式結構測試波形和諧波結果

　　主動式LED驅動器

　　主動式功率因子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，功率因子校正芯片用恩智浦的SSL4101控制器，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，輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高功率因子。這種控制線路可靠度高，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，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。相比填谷式結構，主動式功率因子校正設計可以達到更高功率因子和低諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動設計非常復雜，組件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅動器中使用。