LED灯高功率因数驱动器的设计

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)在启动时亮度暖灯时间长的问题，所以在全球资源紧张的大环境下，平衡与环境能源厉害关系，政策上加快往LED照明上倾斜。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，在大多新建设中的商业照明市场中，如酒店和商场都使用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，在用常规驱动的方式下，怎样降低输入电流谐波，提高输入功率因子。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子PF必须大于0.7、商业照明大于0.9的强制性要求。

　　降压式LED驱动器说明

　　三种常用的基本电源转换结构通常是指降压BUCK，升压BOOST和升降压BOOK-BOOST结构，它们都是非隔离式的，输入和输出电压共同接在同一地在线。通常设计时选择降压结构是基于LED上的输出电压总是小于输入电压，并且可以用非隔离式结构。在实际LED驱动器设计中，对于中、高LED电压输出都会采用降压式结构，因为不仅结构简单，而且组件成本和转换效率上有明显的优点，所以其应用非常广。

图1 降压结构测试波形

　　降压BUCK电路的主要运行波形图如图1所示，紫色通道是通过主开关管Q1的漏、源极间的电流波形，绿色通道是主开关管Q1的漏极电压波形，蓝色信道是输入电流波形，黄色信道是输入电压的波形。

　　可以看到流过主开关管的电流平均值基本是一条水平线，主要是整流后的滤波电容(Ｃ１，Ｃ２)容量很大，其充满后的存贮电压足够已在整个周期内泄放，所以输入电压总是会高于输出电压，每个周期内流过开关管的电流通过电阻R5转换成电压信号与芯片脚4检测比较，一般芯片内部的电流参考脚的电平是一个固定值，当达到参考值后，主开关管就停止工作，等检测到开关管上的最低谷底电压时，芯片再提供开通驱动信号给主开关管栅极。所以，开关管每个周期电流大小基本一致，造成输入在线电流（图1中的浅蓝色通道）的变化不是跟随输入电压的变化而变化，所以在这种设计里，输入功率因子会非常低，电流谐波也很大。

　　填谷式LED驱动器

　　为了满足能源之星和IEC(国际电工委员会的简称)相关要求，早期大多设计者采用被动填谷方式来提高输入功率因子，大致电路结构如下图2所示：

图2 填谷式结构线路图和和仿真结果　　采用被动式填谷电路后，当输入电压从200V到265V内变化时，功率因子PF已经从原来的0.6提高到了0.9以上，效率也能达到92%，所以在提高功率因子的同时，效率没有明显的降低。图3是输入电压和输入电流的波形图，绿色信道是输入电压波形，浅蓝色通道是输入电流波形，虽然功率因子提高了，但输入电流波形还是畸变的，总谐波因子不是很好，测试数据显示总电流谐波在38%，如图3右侧谐波测试资料所示。

图3 填谷降压式结构测试波形和谐波结果

　　主动式LED驱动器

　　主动式功率因子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，功率因子校正芯片用恩智浦的SSL4101控制器，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，输入平均电流的相位会跟随输入电压，得到非常高功率因子。这种控制线路可靠度高，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，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。相比填谷式结构，主动式功率因子校正设计可以达到更高功率因子和低谐波电流，输出LED电流纹波也非常低。但是这种两级结构的驱动设计非常复杂，组件成本也很高，一般只适合在功率大于75W以上的LED驱动器中使用。

图4 两级主动式功率因子校正结构图

图5 单极功率因子调整式实验图和相关测试波形　　单级功率因子校正LED驱动器

　　不管是用填谷方式或主动式功率因子校正技术来提高功率因子，都有其自身的缺点，如填谷式电路中需要使用大容值的高压电解电容，造成组件成本和产品尺寸的局限。由此产生了单级功率因子校正技术，其拓扑是将功率因子校正电路中的开关组件和后级DC-DC变换器的开关组件合并和复用，将两部分电路合二为一。因此单级功率因子变换器有以下优点：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。单级功率因子校正电路在中小功率LED驱动器中优势非常明显。

图6 单极功率因子调整线路在返激结构应用结果

表7

　　当然，单级降压结构中的功率因子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6是试验在隔离反激式结构的数据，控制芯片仍然采用恩智浦的SSL2109，从测试出来的结果看到，功率因子和谐波电流与在降压式结构中得的结果基本相同，都能做到功率因子(PF)值大于0.9和谐波电流小于20%的性能。

　　总结

　　表7是三种功率因子校正的比较说明，功率因子和谐波性能最好的是主动式功率因子矫正反激式转换结构，但缺点是线路复杂度和组件成本最高；填谷式功率校正结构缺点就是功率因子不够高，谐波性能不好，组件成本虽比主动式结构低，但比单极式结构高；单级功率因子校正结构在谐波和功率因子性能上能完全满足IEC63000-3-2的要求，其功率因子调整方式不仅结构简单，而且外围组件成本也最低；另一方面，在单级调整式结构中，因为桥式整流后滤波电容容量很小，一般100~200nF左右，输出电流低频纹波会比前面两种结构都要大，但可通过加大输出端电容容量来解决这个问题。

　　本文就LED照明驱动器的设计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子和低电流谐波性能，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子调整式结构是可以完全达到高功率因子和低谐波的性能，也能容易地应用于LED照明驱动器的实际设计。