一种基于AP3766的高功率因数非隔离LED照明驱动电源

1 引言
LED照明系统作为一类新兴技术与产业，正在不断开拓新的广阔的应用领域。对于其交流输入电源，目前使用最多的是基于反激式拓扑结构的开关电源。反激式(flyback)拓扑结构开关电源包括输入整流滤波电路、开关控制电路。隔离变压器和副边整流滤波电路。但是，反激式电源电路的效率不高，同时，有些LED照明应用中也不一定需要隔离。因此，十分必要研究开发高效率、低成本、高性价比的非隔离式LED照明驱动电源。
为了避免LED照明系统对电源的污染，国际电工委员会(IEC)对照明灯具规定了明确的谐波要求，即大家熟知的IEC61000-3-2标准“电磁兼容谐波电流发射限值”。而且，最新的能源之星(Energy Star)标准也提出，对于大于5W的LED照明产品，要求其功率因数(PF)指标必须大于0.9。
我们在此提出了一种高功率因数非隔离LED照明驱动电路组合的逐流式功率因数校正电路和采用原边控制的Buck-boost开关电源电路。这种驱动电源结构简单，同时满足LED驱动电源的高功率因数、高效率，符合电磁兼容性要求的标准，高电流控制精度、高可靠性、体积小、成本低等一系列要求。
2 AP3766控制芯片介绍
AP3766是由BCD公司研制推向市场的专用于LED照明驱动控制芯片，采用原边调整控制(PSR)技术实现高精度的恒压/恒流(CV/CC)输出，省略了副边光耦合及恒压恒流控制电路，也不需要环路补偿电路即可实现电路的稳定控制，并且是采用SOT-23-6小体积封装，显著地缩小了系统体积、降低了系统成本。
AP3766控制芯片具有“亚微安启动电流”的专利技术，系统损耗小、效率高，效率可以达到80%以上，空载损耗小于30mW。AP3766控制芯片以多项先进技术与器件，保证了在量产情况下具有±5%的输出恒流精度以及过压保护、短路保护功能，提升了系统可靠性。
AP3766具有很强的系统适应性，能够搭配无源PFC逐流式电路，输出图腾柱驱动电路等外围线路以满足高功率因数要求和更大功率输出。因此，AP3766不仅可以应用于GU10射灯、E27泡灯，也可以应用于PAR灯、直管灯等。
3 非隔离方案系统的规格要求
LED的光效正在不断地提升指标，目前提升光效的措施之一是用多颗小电流的LED晶粒串联组成高压小电流的封装结构。这样的结构不仅提高了LED的光效，也有利于提高开关电源的整体效率。但是，由于LED的工作电压比较高，传统的隔离反激式开关电源不再适用，因为为了达到很高的输出电压，反激式开关电源的隔离变压器输出绕组就需要比较多的匝数，这样，变压器的体积将大大增加，原逼边之间的耦合将下降，电路效率也将下降。针对高压小电流输出和高效率的系统规格要求，本文提出了一种新型的Buck-boost开关电源电路，它具有高功率因数，控制方式简单新颖，元件数量较少、体积小，性价比高的优点。在此，我们将详细介绍一种输出110V/60mA规格的高功率因数非隔离LED驱动电源，图2为其电路原理图。在图2中，F1为保险丝，VR1为防雷保护压敏电阻，C1、C2、L1为组成π型EMI滤波器的电容器、电感器；C3、C4、D2、D3、D4构成一个逐流式电路实现功率因数校正功能。逐流式电路提高整流电路功率因数的原理在于增大了整流电路的导通角，输入交流电压大于峰值电压一半时，整流桥BD1就能导通，避免了传统的不受控整流电路只在交流电压峰值附近才能瞬间导通引起大的电流尖峰和波形畸变问题，从而降低了总谐波失真度(THD)。
经过逐流式电路后，由L1、L2、Q1、D1、C9构成的Buck-boost开关电源电路完成升降压和恒流输出功能，控制芯片U1实现Buck-boost开关电源电路的开关控制功能。电感L1、L2、L3通过磁芯T1相互耦合。
采用原边开关控制方式的Buck-boost开关电源电路的工作原理是：设定在一个开关周期内，输出二极管D1的导通时间为Ions，关断时间为Toffs，输出电流峰值为Ipk，耦合电感为L1，绕组匝数N1；耦合电感L2，绕组匝数N2。控制芯片U1控制开关占空比，保持输出二极管D1的导通时间Tons和关断时间Toffs比例恒定，则在一个开关周期内，输出电流的平均值为：
(1)
图3所示为Buck-boost开关电源电路流经二极管D1的电流波形图。根据安培定理，输出二极管D1刚导通时的输出电流峰值Ipks与开关Q1的电流峰值Ipk有如下关系：
(2)
因此，输出电流的平均值为：
(3)
控制芯片U1通过检测原边开关电流，使原边开关电流峰值Ipk被控制在恒定，同时控制开关占空比，保持输出二极管D1的导通时间Tons和关断时间Toffs的比例恒定，从而实现了输出电流的恒定。
在图2中，电阻R1、R9为芯片U1的启动电阻，连接到芯片的VCC脚，在电路上电后提供给芯片一定量值的启动电流。L3为辅助绕组，与D5、C7构成芯片U1的供电回路。同时，L3辅助绕组电压经过电阻R6、R7分压、连接到芯片的FB脚，作为输出电压的检测和保护电路。R2为开关Q1的电流检测电阻，连接到芯片的CS脚，即U1的电流采样脚。芯片U1的2脚GND连接到地电位，1脚为输出驱动脚。图2中变压器T1采用EE16磁芯，其有3个绕组，原边绕组L1的电感量为1mH，L1、L2和L3的匝比为100∶100∶28。电路的工作频率设计为65kHz。