一种用于FAN6961控制的高效单级LED驱动电源

1 引言
随着全球性的石油、煤碳等燃料资源的日益短缺，各个国家都在从节能和寻求可再生的新能源等多方面措施解决能源危机，如新能源方面的风能、太阳能、生物能等；减少占有能源消耗很大比例的照明消费，如发展LED产业，布局LED照明体系（路灯、隧道灯、球泡灯、无极灯等）；提倡使用低能耗、高效率的电源产品及其器件等。本文即以LED照明的核心即LED驱动电源的能效、功率因数、可靠性等性能为重点，探讨其关键技术。
目前，我们中国以推荐性标准《GB/T24825-2009 LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求》规定：达到能效Ⅰ级的隔离输出式LED模块控制装置，其电源效率应不小于88%(P>25W)；电源产品电磁干扰(EMI)性能则应符合国家强制性标准GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001《电磁兼容谐波电流发射限值》和GB17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》的相关要求。而美国能之星照明规范中规定，商用照明灯具的功率因数必须大于0.9。
LED光源与其它光源的根本区别是LED光源需要有驱动电源，而且，驱动电源的性能直接关系到LED光源的性能。所以，设计出一些具有高功率因数、低谐波电流的高效LED驱动电源很有意义，广受电源厂商的关注。
本文设计了一种采用功率因数校正(PFC)电路、临界模式的AC/DC单级反激式电源拓扑，通过优化设定有关参数，可以在兼顾电源品质和产品成本的前提下，有效地提高能效、避免建筑物内高次谐波电流造成的电源环境污染。
2 单级AC/DC变换器的拓扑结构及原理
单级AC/DC变换器的系统原理框图如图1所示，是采用临界电流模式控制的Flyback变换电路。其工作原理为：开关管MOS驱动反激式储能隔离变压器T，MOS导通时，变压器T储能，MOS关断时，变压器T的次级绕组通过续流二极管释放能量。控制MOS的导通、关断时间规律，可以实现输入电流波形和输出直流电压或电流的稳定控制，以保障输入电流的正弦波形规律化和输出直流特性的稳定性。
单级AC/DC变换器的电路拓扑如图2所示。在图2中，Lm为变压器初级的励磁电感，Lr为漏电感，初级电感Lp=Lm Lr，次级电感为Ls。
2.1 SPWM调制原理
如图2所示，“市电”经过全波整流，以市电半个周期波形图分析，则正弦调制原理分析如图3所示：IQ为MOS管在某一时刻的导通电流，IQ(sin)-pk是MOS管的峰值电流，Ip为次级二极管在MOS管关闭时刻的续流，ID(sin)-pk是二极管的峰值电流。
在调制波形示意图中，采用电感电流回零后允许导通下一个驱动脉冲工作方式，以保证每个开关周期里T=Ton Toff，如调制图3，设市电输入的正弦波电压为：
Uin(t)=Uin-pksinωt (1)
现把市电输入电压离散化，并设第N点时如图3中所示的ΔABE，MOS导通，电压与电感励磁电流的关系式则为：
(2)
则：
(3)
若N足够大时，则电流、电压等效为连续：
(4)
可得到：
(5)
由上式可得：
(6)
其中：
(7)
假设导通时间为常数：TON-N=常数，则上述MOS导通电流各点峰值IQ(sin)-pk组成的包络就形成了正弦规律。
次级二极管瞬时峰值电流为ID(t)，根据励磁电流引起的磁通不能突变原则可知：
ID(t)=n IQ(t)=n IQ(t)=nIQ·Sin_pksinωt，且等式Lp=n2 LS成立，其中的参数n为变压器的初、次级匝数比。
根据变压器伏秒平衡原则，绕组次级的伏秒规则如下：
(8)
式中，Uo是输出直流电压，UF是整流二极管正向导通压降。根据：T=TON TOFF，设在第N点对IQ(Sin)-pk-N积分，可得到其平均值。
在图3的三角形ΔCED中：
(9)
则市电输入电流：
(10)
由以上几个等式可以得到：
(11)

设UR=n(Uo UF)并定义UR为反射电压。又设定电压反射比为：
(12)
则可得到输入电流的表达式：
(13)
由以上输入电流表达式可见，在开关管按恒定导通时，输入电流也不是纯净正弦波，失真度THDI与RVr密切相关，即IHDI取决于输出直流电压和初次级匝数比n(n=N1/N2)等。
根据以上表达式绘制的输入电流正弦波特性与RVr的关系仿真见图4所示。由图4的正弦电流仿真图可见：RVr的数值越小时，输入电流就越呈正弦状，失真度就越小；反之则正弦特性就越差。