带功率因数校正的LED日光灯驱动电源

摘要：文中提出了一种带功率因数校正的LED日光灯驱动电源，该电源具有电路简单、可靠的优点，实测数据表明，在较宽电压范围内，驱动电源工作稳定，其具有较高功率因数。
关键词：LED照明；Boost电路；功率因数校正；恒流源

    LED照明由于具有环保、寿命长、高可靠性等特点，正在发展成为实施绿色节能照明工程中最具有前途的第4代光源。由LED的电学特性可知，LED在正向导通后，流过LED的电流及其两端电压对LED能否正常工作起着关键性的作用。所以，设计合理的驱动电源对于LED照明灯就显得十分重要。
    Energy Star标准规定：商业照明的供电设备的功率因数不得低于0．9。因此LED的供电电源除了能满足上述LED特性要求，还应有功率因数校正(PFC)功能文。文中针对近年来迅速发展的LED照明驱动电路的应用，提出一种带功率因数校正的LED日光灯驱动电源。

1 电路原理
    图1为功率因数校正原理框图(虚框内为控制电路)，主电路为Boost升压电路，并由控制电路实现双闭环控制：外环电压控制环实现稳定输山电压；内环电流环实现输入电流i(t)跟踪输入电压vg(t)波形，其中i(t)=iL(t)。

    对于Boost电路，只要输入电压低于输出电压，电感的电流就完全受开天的控制。以下结合图2电感电流受控的特点进行说明。
    由于开关频率远高于输入电压频率，可认为一个开关周期内输入电压平均值与瞬时值相等，平均值不变，即：
    <vg(t)>Ts≈vg(t)      (1)
    由于Boost升压电路低通滤波器的转折频率远小于开关频率时，可认为一个开关周期内状态变量的平均值与瞬时值近似相等，平均值近似不变，即：
    <x(t)>Ts≈x(t)        (2)
    在满足上述条件下，开关元件Q1的电流iQ1(t)与开关元件D1的端电压vD1(t)波形如图2(c)所示。取电感电流iL(t)与电容电压vO(t)为状态变量，在一个开关周期Ts内，可用电感电流iL(t)的平均值<iL(t)>Ts与电容电压vO(t)的平均值<vO(t)>Ts来表征Q1的平均电流与D1的平均端电压，如公式(3)、(4)，式中d(t)为Q1导通截止的占空比时间函数。
   
   
    式(3)表明Q1的作用可由数值为d(t)iL(t)的受控电流源取代在电路中的作用；式(4)表明D1的作用可由数值为d(t)vO(t)的受控电压源取代D1在电路中的作用。从而得到图2(b)Boost升压电路的一个开关周期Ts内的等效电路模型。进一步用戴维宁定理简化为图2(d)简化模型，则电感两端电压为vL(t)为：
    vL(t)=(1-d(t))vO(t)-vg(t)       (5)
    式(5)中，输入电压vg(t)为整流后的直流脉动波形，可视为时间定义域定义在[0，π]的正弦电压。结合Boost电路可知，选择合理的d(t)可使电感电压vL(t)也为正弦量，由相量法可得电感两端电压超前电感电流90°。所以，只要d(t)选择的合适，使电感L两端的电压vL(t)为正弦波，且超前输入电压90°，便可以使电感电流成为与输入电压同相位的正弦波，实现功率因数校正，图2(e)为校正后电路对应的相量图。

    合适的占空比d(t)可由图(1)中控制电路实现。原理为：整流后的脉动正弦电压波形作为输入电流的参考波形，引入控制电路模拟乘法器。另外，为保证输出电压恒定，将输出电压与给定电压之间的误差经电压控制电路引入乘法器，两信号经过乘法器运算得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的给定信号，电流跟踪控制电路使流经确保电感中的电流跟踪该给定信号，从而实现功率因数校正，且稳定了输出电压。

2 电路实现
    实际驱动电源电路如图3所示，图中采用电源控制器件L6561实现上述控制电路主要功能；变压器初级电感量：L=1．84 mH；电路输出功率Po=50 W；输入线电压Uin范围：85～250 VAC；输出电压UO=400 VDC±5％。

    驱动电源电路的负载是多颗LED灯珠串联的灯珠串，为防止因某几颗LED灯珠发生故障导致负载断路，这里采用文献中所述连接方式，即在每个LED两端反向并联接一个稳压管，当灯珠发生断路，稳压管自动接入确保负载正常工作。为实现负载LED灯源恒流供电，负载串联的由Q1、Q2、R1、R2构成的恒流源电路，其工作原理如下：图3中有ILED≈IR1+IR2，当R1足够大使得时，IR1<<IR2，ILED≈IR2=(Ube／R2)，由于Ube稳定在0．7 V，因此精选R2就能稳定驱动电流ILED。

3 实测结果
    试验电源采用图3电路搭建，电源负载选用109颗0．5 W的LED灯珠组成的长串结构进行试验。图4给出了驱动电源输出电压Uo、流过LED灯珠串电流ILED、单颗LED灯珠电压ULED及电源功率因数PF值随Uin的变化情况。

    当交流输入电压存85～250 V之间变化时：
    图4(a)表明Uo保持在400 V，最大波动仅为12 V，当输入电压高于175 V后，Uo基本保持恒定；
    图4(b)表明ULED保持在3．6 V，最大波动仅为0．1 V，当输入电压高于175 V后，ULED基本保持稳定。
    图4(c)表明LED灯珠电流ILED保持在125 mA，最大波动仅为15 mA。
    图4(d)表明，功率因数(PF)值大于，功率因数得到很大的提高。

4 结 论
    文中提出的带功率因数校正的LED 日光灯驱动电源，在宽输入电压范围内能保证流经负载电流恒定，实现功率因数校正功能，此外，本文方案具有控制简单可靠、电路易于实现以及高性价比的优点。