一种高功率因数LED驱动器设计

随着LED灯在众多领域里的应用，譬如商业照明和家庭照明，LED照明已全面有取代传统白炽灯和荧光灯之势，因为相比传统照明，LED照明尽管在价格上偏贵于传统照明，但它具备节能，光效高，寿命长，无污染等显著优点，所以，LED照明能在短时内被市场认同。另外，随着能源资源无节制地消耗，带有节能性能的照明产品已受到政府组织的推广，一些国家的能源组织也有发布相关政策，补贴满足其标准的照明产品。如商业照明产品功率因数大于0.9，家用大于0.7就是美国能源之星的强制要求之一。所以在关注LED灯高光效，长寿命特点的同时，在保证低元器件成本的前提下，设计出具有高功率因数且性能高可靠LED驱动器变得尤为重要。

1 LED照明的发展概述

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10年-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)在启动时暖灯时间长的问题，所以在全球资源紧张的大环境下，平衡到对环境与能源的厉害关系，政策上也会加速推广LED照明，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，尽管短时间内LED照明的成本很高，譬如传统60W白炽灯零售价格只有7WLED灯的1/10还不到，所以家庭用户现阶段对LED灯的价格承受能力还是有限的，但另一方面，在大多新建设中的商业照明市场中，如酒店和商场都使用了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，怎样降低输入电流谐波，提高输入功率因数。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数PF必须大于0.7,商业照明大于0.9的强制性要求。

2 降压式LED驱动器

2.1介绍说明降压式LED驱动器

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线上。每种结构都有其自身的特性，如静态电压转换率，输入输出电流特性，输出电压纹波和最重要的频率响应特性，最普遍和最简单的结构要数降压式BUCK结构，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。这里再提一下降压式结构的另外一个特点，因为主开关管的电流在每个开关周期内都是由零上升到额定值，所以它的输入电流总是非连续的，而输出电流时连续的，这是由于输出电流是依靠电感和输出端的电容会提供的。

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，而且元件成本和转换效率上有明显的优点，所以其应用非常广。

图2.1：降压结构线路图和测试值

图2.1是一个常规的BUCK降压式线路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器,原理图上可以看出它的外围元件非常少，电路非常简单，电感只需要一个绕组，不像其它控制器必须依靠另外的辅助绕组给芯片供电，这里它是采用了一颗高压瓷片电容C5，连接到主开关管栅极来进行充电，所以芯片启动后，正常工作的电平都来自于这颗电容的作用。效率方面，它能达到90%以上，不足之处就是功率因数只有0.55左右，如图2.1的曲线所示。

2.2降压式结构LED驱动器的工作原理

降压BUCK电路的主要运行波形图如图2.2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，蓝色通道是输入电流波形，黄色通道是输入电压的波形。

图2.2：降压结构测试波形

可以看到流过主开关管的电流平均值基本是一条水平线，主要原因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，通常0.5V左右，当达到参考值后，主开关管就停止工作，再等待下一个开通信号，就是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的栅极。所以，开关管每个周期的电流大小基本一致，这也就造成输入线上电流(图2.2中的浅蓝色通道)的变化不是跟随输入电压(图2.2中的黄色通道)的变化而变化，所以在这种设计里，输入功率因数会非常低，电流谐波也很大。

3 填谷式LED驱动器

3.1填谷式结构中功率因数校正的原理

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数，大致电路结构如下图3.1所示：

图3.1：填谷式结构线路图和仿真结果

元件C1，D5，C2，D7,D6组成主要填谷电路，每个周期内交流电经由桥堆D1~D4整流后，给C1，C2串联着充电，D6防止C2反经过C1放电，C1,C2的充满的电荷经由D7，D5并连着放电。图3右侧是电路输入电流的仿真结果，能观察到每个周期的输入线电流从30°到150°和210°和330°角度内连续变化，而150°到210°和330°到360°角度内不连续变化，大多电流的畸变都是在这些不连续的时间内发生，如果减少这些畸变，会进一步提高谐波性能。仿真图看到每个正负周期内有一个高的电流尖峰，这也是造成电流畸变的因数之一，可以通过其它元件来抑制这个尖峰，但在大功率应用里，需要平衡好效率和发热方面的问题。

3.2 实验测试填谷式驱动器的功率因数

在常规的BUCK结构上增加了上面介绍的被动式填谷电路，这里的元件分别是C1，C2，D2，D3，D4和R2组成，电阻R2可以改帮助改善谐波电流，降低图3.1仿真结果上的最大电流尖峰，实验中主控制降压芯片用恩智浦公司的SSL21084产品，SSL21084只是把主开关管集成到芯片内部，开关控制方式与SSL2109是完全一样的，具体线路如图3.2-1所示：

图3.2.1：填谷式降压结构线路和测试结果

图3.2-1右侧是20W的LED驱动器的测试结果，采用被动式填谷电路后，当输入电压从200V到265V内变化时，功率因数PF已经从原来的0.6提高到了0.9以上，效率也能达到92%，所以在提高功率因数的同时，效率没有明显的降低。图3.2-2是输入电压和输入电流的波形图，绿色通道是输入电压波形，浅蓝色通道是输入电流波形，很明显虽然功率因数提高了，但输入电流波形还是有畸变的，所以总谐波因数不是很好，测试数据显示总电流谐波在38%，如图3.2-2右侧谐波测试数据所示，第3，5，7，9次奇次谐波值还是非常高。

图3.2.2：填谷降压式结构测试波形和谐波结果

4 主动式LED驱动器

主动式功率因数校正的方式和特点