【導讀】LED照明具有節能，光效高，壽命長，無污染等特點，在照明領域得到廣泛的應用，但相比傳統照明，LED照明的價格偏貴，因此，在保證低元器件成本的前提下，設計出具有高功率因數且性能高可靠LED驅動變得尤為重要。
隨著LED燈在眾多領域里的應用，譬如商業照明和家庭照明，LED照明已全面有取代傳統白熾燈和熒光燈之勢，因為相比傳統照明，LED照明盡管在價格上偏貴于傳統照明，但它具備節能，光效高，壽命長，無污染等顯著優點，所以，LED照明能在短時內被市場認同。另外，隨著能源資源無節制地消耗，帶有節能性能的照明產品已受到政府組織的推廣，一些國家的能源組織也有發布相關政策，補貼滿足其標準的照明產品。如商業照明產品功率因數大于0.9，家用大于0.7就是美國能源之星的強制要求之一。所以在關注LED燈高光效，長壽命特點的同時，在保證低元器件成本的前提下，設計出具有高功率因數且性能高可靠LED驅動變得尤為重要。
1 LED照明的發展概述
消費者從傳統照明轉換到LED照明是已經被認為是大勢所趨，有文章指出，LED照明相比白熾燈可以節省80%的能源，其壽命可以長至10年-20年之久。另外，LED燈相比緊湊性節能燈，不含有對環境有害的物質，如水銀，汞等重金屬物質，也沒有像節能燈（CFL）在啟動時暖燈時間長的問題，所以在全球資源緊張的大環境下，平衡到對環境與能源的厲害關系，政策上也會加速推廣LED照明，因為LED照明在發光原理、節能、環保的層面上都遠遠優于傳統照明產品，盡管短時間內LED照明的成本很高，譬如傳統60W白熾燈零售價格只有7WLED燈的1/10還不到，所以家庭用戶現階段對LED燈的價格承受能力還是有限的，但另一方面，在大多新建設中的商業照明市場中，如酒店和商場都使用了LED照明，已鮮見再有傳統照明的影子。
本文就將主要探討LED照明的驅動部分，怎樣降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數。發達國家在照明領域里的能源問題已非常重視，譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規定，住宅照明驅動器的功率因數PF必須大于0.7,商業照明大于0.9的強制性要求。
2 降壓式LED驅動器
2.1介紹說明降壓式LED驅動器
三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK，升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構，它們都是非隔離式的，輸入和輸出電壓共同接在同一地線上。每種結構都有其自身的特性，如靜態電壓轉換率，輸入輸出電流特性，輸出電壓紋波和最重要的頻率響應特性，最普遍和最簡單的結構要數降壓式BUCK結構，通常設計時選擇降壓結構是基于LED上的輸出電壓總是小于輸入電壓，并且可以用非隔離式結構。這里再提一下降壓式結構的另外一個特點，因為主開關管的電流在每個開關周期內都是由零上升到額定值，所以它的輸入電流總是非連續的，而輸出電流時連續的，這是由于輸出電流是依靠電感和輸出端的電容會提供的。
在實際LED驅動器設計中，對于中、高LED電壓輸出都會采用降壓式結構，因為不僅結構簡單，而且元件成本和轉換效率上有明顯的優點，所以其應用非常廣。
圖2.1：降壓結構線路圖和測試值
圖2.1是一個常規的BUCK降壓式線路，芯片是恩智浦公司的SSL2109控制器,原理圖上可以看出它的外圍元件非常少，電路非常簡單，電感只需要一個繞組，不像其它控制器必須依靠另外的輔助繞組給芯片供電，這里它是采用了一顆高壓瓷片電容C5，連接到主開關管柵極來進行充電，所以芯片啟動后，正常工作的電平都來自于這顆電容的作用。效率方面，它能達到90%以上，不足之處就是功率因數只有0.55左右，如圖2.1的曲線所示。
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2.2降壓式結構LED驅動器的工作原理
降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖2.2所示，紫色通道是通過主開關管Q1的漏、源極間的電流波形，綠色通道是主開關管Q1的漏極電壓波形，藍色通道是輸入電流波形，黃色通道是輸入電壓的波形。
圖2.2：降壓結構測試波形
可以看到流過主開關管的電流平均值基本是一條水平線，主要原因是整流后的濾波電容（C1，C2）容量很大，其充滿后的存貯電壓足夠已在整個周期內泄放，所以輸入電壓總是會高于輸出電壓，每個周期內流過開關管的電流通過電阻R5轉換成電壓信號與芯片腳4檢測比較，一般芯片內部的電流參考腳的電平是一個固定值，通常0.5V左右，當達到參考值后，主開關管就停止工作，再等待下一個開通信號，就是檢測到開關管上的最低谷底電壓時，芯片再提供開通驅動信號給主開關管的柵極。所以，開關管每個周期的電流大小基本一致，這也就造成輸入線上電流（圖2.2中的淺藍色通道）的變化不是跟隨輸入電壓（圖2.2中的黃色通道）的變化而變化，所以在這種設計里，輸入功率因數會非常低，電流諧波也很大。
3 填谷式LED驅動器
3.1填谷式結構中功率因數校正的原理
為了滿足能源之星和IEC(國際電工委員會的簡稱)相關要求，早期大多設計者采用被動填谷方式來提高輸入功率因數，大致電路結構如下圖3.1所示：
圖3.1：填谷式結構線路圖和仿真結果
元件C1，D5，C2，D7,D6組成主要填谷電路，每個周期內交流電經由橋堆D1~D4整流后，給C1，C2串聯著充電，D6防止C2反經過C1放電，C1,C2的充滿的電荷經由D7，D5并連著放電。圖3右側是電路輸入電流的仿真結果，能觀察到每個周期的輸入線電流從30°到150°和210°和330°角度內連續變化，而150°到210°和330°到360°角度內不連續變化，大多電流的畸變都是在這些不連續的時間內發生，如果減少這些畸變，會進一步提高諧波性能。仿真圖看到每個正負周期內有一個高的電流尖峰，這也是造成電流畸變的因數之一，可以通過其它元件來抑制這個尖峰，但在大功率應用里，需要平衡好效率和發熱方面的問題。
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3.2 實驗測試填谷式驅動器的功率因數
在常規的BUCK結構上增加了上面介紹的被動式填谷電路，這里的元件分別是C1，C2，D2，D3，D4和R2組成，電阻R2可以改幫助改善諧波電流，降低圖3.1仿真結果上的最大電流尖峰，實驗中主控制降壓芯片用恩智浦公司的SSL21084產品，SSL21084只是把主開關管集成到芯片內部，開關控制方式與SSL2109是完全一樣的，具體線路如圖3.2-1所示：
圖3.2.1：填谷式降壓結構線路和測試結果
圖3.2-1右側是20W的LED驅動器的測試結果，采用被動式填谷電路后，當輸入電壓從200V到265V內變化時，功率因數PF已經從原來的0.6提高到了0.9以上，效率也能達到92%，所以在提高功率因數的同時，效率沒有明顯的降低。圖3.2-2是輸入電壓和輸入電流的波形圖，綠色通道是輸入電壓波形，淺藍色通道是輸入電流波形，很明顯雖然功率因數提高了，但輸入電流波形還是有畸變的，所以總諧波因數不是很好，測試數據顯示總電流諧波在38%，如圖3.2-2右側諧波測試數據所示，第3，5，7，9次奇次諧波值還是非常高。
圖3.2.2：填谷降壓式結構測試波形和諧波結果
4 主動式LED驅動器
主動式功率因數校正的方式和特點
主動式功率因數校正常規上采用兩極拓撲來實現，前級用升壓電路結構，后級直流轉換部分用隔離反激式結構，如圖4.1示，功率因數校正芯片用恩智浦半導體的SSL4101控制器，它運行在臨界導通模式下，恒定導通時間控制，流過電感電流與橋堆整流后的電壓成正比例關系，所以輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓，得到非常高的功率因數。這種控制環路可靠度高，常在中、大功率驅動器中使用。SSL4101也集成了反激轉換控制功能，如目前常采用準諧振斷續式控制，準諧振工作的特點就是確保主開關上的寄生電容上的電壓降到最低時導通，降低開關損耗，并對電磁輻射有一定程度的幫助。副邊輸出的電壓和電流電平通過光電耦合器（簡稱光耦）來回授反饋給原邊控制器。相比填谷式結構，主動式功率因數校正設計可以達到更高的功率因數和低的諧波電流，輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動設計非常復雜，元件成本也很高，一般只適合在功率大于75W以上的LED驅動器中使用。
圖4：兩級主動式功率因數校正結構圖
[page]5 單級功率因數校正LED驅動器
5.1 采用單級功率因數校正的原因
不管是用填谷方式或主動式功率因數校正技術來提高功率因數，都有其各自的優缺點，如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容，已致于元件成本和尺寸在緊湊型的LED燈設計中存在一定的局限性。兩級主動式結構雖然能將功率因數和諧波性能實現得最好，但功率因數校正電路結構較為復雜，使電源的成本和體積增加，由此產生了單級功率因數校正技術，其拓撲是將功率因數校正電路中的開關元件和后級DC-DC變換器的開關元件合并和復用，將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數變換器有以下優點：1）開關器件數減少，主電路體積及成本可以降低；2）控制電路通常只有一個輸出回路，簡化了控制回路；3）單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側，不經過兩級變換，所以效率要高于兩級變換器。由于以上特點，單級功率因數校正電路在中小功率LED驅動器中優勢非常明顯。
5.2 單級降壓式功率因數校正的工作原理
前面提及了傳統降壓式BUCK結構中功率因數過低的主要原因，所以這里就是要解決怎樣把流經主開關管上的電流平均值調整成接近于電壓變化的相位，也就是在每個周期內，讓電流跟隨電壓的變化而變化，從而達到高功率因數的目的。
圖5.2所示線路是用來調整主開關電流的外圍控制線路的仿真圖，電路原理是在三級管Q1發射極端得到一個兩倍于市電的頻率，且近似于半正弦波的變化電平，這樣再把這個電平提供給控制芯片SSL2109電流回授腳，芯片內部再去調制主回路工作頻率，使流過主開關管的平均電流形成近似半正弦的形狀。
圖5.2：單級功率因數調整電路仿真圖
圖5.2下面曲線是仿真的結果，綠色曲線是橋堆整流后的電壓形狀，紅色曲線和藍色曲線分別是三級管Q1集電極電壓和電流的結果，可以看到，三級管基極電平完全更隨橋式整流后的電壓，由于三級管Q1是PNP型三級管，集電極輸出的電平剛好與而基射的電平相反，故在基極電平從最高幅值到零降低時，集電極輸出電壓和電流反而由最低漸漸增大至最高幅值，這樣，當這個電平輸入到芯片電流回授腳后，就可以調整主開關管的電流大小了。
5.3 降壓式結構中驗證單級功率因數調整電路
圖5.3-1是在傳統BUCK降壓式線路上增加了功率因數調整元件，所以芯片電流腳檢測到的信號是主開關管M1和流經三級管Q1電流的疊加之和。當整流后的電壓變化時，流過三極管Q1的電流也跟隨變化。
圖5.3.1：單級功率因數調整式實驗圖和相關測試波形
圖5.3.1右側是實驗板上測試得到的工作波形，從上到下各通道依次是：紫色是主開關管柵極的電壓波形，深藍色通道是芯片電流檢測腳的波形，綠色通道是主開關管M1源極上的電流波形，淺藍色通道是輸入電流的波形。可以看到芯片電流檢測腳原來是一個恒定的0.5參考電平，現在用外加的功率因數矯正電路后，主開關的平均電流波形被調整為半正弦形狀，原因就是三級管Q1集電極的輸出電平進入芯片電流檢測腳后，主開關管上的電流會先從過零點漸漸增大至最高幅值，再逐漸被降低到零。這樣輸入電流和輸入電壓的相位基本相似，也接近于交流正弦。
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圖5.3-2是實驗得到總電流諧波測試的結果只有13%，可以看出相比原降壓和填谷式降壓都有非常大的提高，完全滿足能源之星對LED照明的功率因數要求。本實驗中選擇的電感為EFD15，感量為700mH，最低工作頻率在70KHz，功率因數0.95，工作效率達到93%以上。
圖5.3.2：單級功率因數調整式實驗結果
圖5.3.1對比原降壓結構線路圖2.1，在LED燈開路保護上也有改進，原圖用穩壓管和功率額度較大的可控硅晶閘管來保護輸出電壓不至于過高引起輸出電解電容的損壞，其缺點就是，當發生開路時，主芯片一直是在工作，沒有停止，保護用的晶閘管的溫度也會比較高，有一定安全隱患。圖10中只在電感上增加了一個繞組來感應輸出電壓的變化，二級管D2整流新增繞組的負向電壓，當LED燈開路時，電解電容C1兩端的電壓上升，新增加的繞組絕對電壓也會隨之升高，D2整流的負向電壓也會升高直到穩壓管D4導通，從而將芯片NTC腳電平拉低到0V，主開關停止工作，芯片進入保護模式。所以這種開路保護相比原保護要更簡單和可靠。
5.4 反激式結構中驗證單級功率因數調整電路
當然，單級降壓結構中的功率因數矯正的外圍線路也可以用到隔離反激式結構中，因為，在一部分LED照明中，隔離反激式結構的設計需求也是非常多的。圖5.4是試驗在隔離反激式結構的數據，控制芯片任然采用恩智浦公司的SSL2109，從測試出來的結果看到，功率因數和諧波電流與在降壓式結構中得的結果基本相同，都能做到功率因數（PF）值大于0.9和諧波電流小于20%的性能。
圖5.4：功率因數調整線路在反激結構應用結果
6 總結
6.1 概括對比三種功率因數校正方式的特點
前面分別對三種功率因素校正結構做了介紹和相關實驗，可以看出各結構都有其自身的特點，表6.1對三種功率因數校正方式做了比較說明，功率因數和諧波性能最好的是主動式功率因數矯正反激式轉換結構，但其缺點是線路復雜度和元件成本比其它兩種都要高；填谷式功率校正結構的缺點就是功率因數不夠高，諧波性能還是不好，元件成本雖然比主動式結構低，但還是比單極式結構要高；單級功率因數校正結構在諧波和功率因數性能上能完全滿足IEC63000-3-2的要求，其功率因數調整方式不僅結構簡單，而且外圍元件成本也最低；另一方面，在單級調整式結構中，因為橋式整流后的濾波電容容量很小，一般100~200nF左右，所以，輸出電流的低頻紋波會比前面兩種結構都要大一些，不過可以通過加大輸出端電容容量來解決這個問題。
表6.1：三種功率因數校正方式性能對比結果
6.2 結論
本文就LED照明驅動器的設計做了相關探討和研究，特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數和低電流諧波性能，經過理論分析和實際實驗論證，證明出在傳統降壓式結構上改進出的單級功率因數調整式結構是可以完全達到高功率因數和低諧波的性能，也能容易地應用于LED照明驅動器的實際設計。
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