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。