高效單級變換式【LED凈化燈】驅動電源設計方案

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風能、太陽能、生物能源等成為熱點。由于可再生能源的開發存在諸多經濟、技術風險等不確定因素，所以各國政府都在積極發展LED凈化燈照明產業，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產品的應用研究，倡導產品降低能耗、提高效率、促進節能技術創新等工作。基于LED發光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅動電源的能效、功率因數、可靠性等性能成為LED光電照明產業能否健康發展亟待解決的關鍵技術問題。

　　中國的國家推薦性標準GB/T24825-2009"LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求"中規定：達到能效1級的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應不小于88%（P>25 W ）；電源產品電磁干擾（EMI）性能應符合國家強制性標準GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001"電磁兼容限值諧波電流發射限值"和GB17743-2007"電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法"的相關要求。美國能源之星照明燈具規范（ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires）中規定：商用照明燈具功率因數必須大于0.9.

　　LED凈化燈光源與其它光源的主要區別在于LED凈化燈光源需要一個驅動電源，驅動電源的性能直接關系到LED光源的性能。在全球提倡"節能減排"和"綠色電子"的大背景下，如何設計一種高功率因數、低諧波電流的高效LED驅動電源是當今廣泛關注的熱點問題。本文提出一種采用功率因數校正（PFC）電路，臨界模式（boundary mode）的AC/DC單級反激式的電源供應器拓撲，通過正確設定相關參數，可在兼顧電源品質與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內高次諧波電流造成的電源環境污染。

　　1 單級AC/DC拓撲結構及原理

　　AC/DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統原理框圖如圖1.工作原理：開關管MOS驅動著反激式儲能隔離變壓器T,MOS導通時變壓器T儲能，關斷時變壓器T次級繞組通過續流二極管釋放能量。控制MOS的導通、關斷時間規律，可實現輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩定控制，以保障輸入電流的正弦規律化和輸出直流特性的穩定性。

圖1 AC/DC反激式變換器原理圖

　　電路拓撲如圖2所示。

圖2 電路拓撲圖

　　圖2中：Lm為變壓器初級勵磁電感，Lr為漏電感，初級電感LP=Lm+Lr,次級電感為LS。

  1.1 SPWM 調制原理

　　如圖2所示，市電經全波整流，按市電半個周期波形圖分析，則正弦調制原理分析如圖3:IQ為MOS管在某一時刻的導通電流，IQ（sin）_PK是MOS的峰值電流，ID為次級二極管在MOS管關閉時刻的續流，ID（sin）_PK是二極管的峰值電流。

圖3 SPWM 調制圖

　　在調制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導通下一個驅動脈沖工作方式，以保障每個開關周期里T =TON+TOFF 。

　　如調制圖3,設市電輸入正弦波電壓：

　　Uin（t）=Uin_pksinωt

　　把市電輸入電壓離散化，則設第N 個點時，圖中△ABE所示，MOS導通，電壓與電感勵磁電流的關系如下：

　　若N 足夠大時，則電流、電壓等效為連續：

　　由上式可知：

　　假設導通時間為常數：TON_N = 常數（const），則上述MOS導通電流各點峰值IQ（sin）_pk組成的包絡就形成了正弦規律。

　　次級二極管瞬時峰值電流為ID（t），根據勵磁電流引起的磁通不能突變原則可知：ID（t）=n IQ（t）=nIQ（sin）_pksinωt,且等式LP =n2 LS成立，其中參數n為變壓器的初、次級匝數比。
 

根據變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級伏秒規則如下：

　　式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向導通壓降。

　　且根據：T =TON+TOFF

　　設在第N 點對IQ（sin）_pk_N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

　　則市電輸入電流：

　　由上幾個等式可得到：

　　設：UR =n （Uo+UF）并定義：UR為反射電壓。

　　又設定電壓反射比為：

　　則可得輸入電流的表達式：

　　由輸入電流表達式可見：在開關管按恒定導通時，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關，即THDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數比n（這里n=N1/N2 ）等。

　　根據上述表達式把輸入電流正弦波特性與Rvr關系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數值越小時，輸入電流就越正弦，失真度就越小；反之則正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

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