胡國(guó)珍　馬學(xué)軍　陸小洲　彭劍

摘 要：根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理論證，前級(jí)功率因素校正采用升壓型斬波電路，控制芯片采用仙童公司的FAN7527，后級(jí)采用隔離式單端反激電路實(shí)現(xiàn)降壓型DC/DC變換，控制芯片為TI公司的UC3843；此外為滿足LED驅(qū)動(dòng)電源恒流輸出特性，設(shè)計(jì)中采用AP4310設(shè)計(jì)一個(gè)恒流限壓控制器。基于以上結(jié)構(gòu)，完成一款實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)測(cè)試和分析，實(shí)驗(yàn)波形與理論波形基本一致，完成本次設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LED DC/DC變換；功率因素；UC3843；恒流

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：According to the design requirements of LED Current drirer， this design plan for a reasonable argument. The first stage power of factor correction adopted boost chopper circuit and its control chip is Fairchild's FAN7527. Isolated singleended flyback circuit buck type DC/DC converter was used as the second stage and its controller chips is TI's UC3843. In addition， to meet the output characteristics of constant current ，AP4310 was designed as constant current controller. Based on the above structure， experimental prototype of LED driver was realized. Through testing and analysis， experimental waveforms were consistent with the theoretical waveform and the proposed LED driver meets the design requirements.

Key words：LED DC / DC conversion；power factor correction；UC3843；constant current

1 引 言

近年來(lái)，能源危機(jī)使世界各國(guó)開始關(guān)注綠色節(jié)能照明問題，新型光源也應(yīng)運(yùn)而生。發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）具有高效、節(jié)能、無(wú)污染、模擬自然光等優(yōu)點(diǎn)，在最近幾年得到快速發(fā)展，逐漸成為照明市場(chǎng)的主流，世界各國(guó)政府和公司已投入大量資金用于白光LED的開發(fā)和推廣。LED主要可應(yīng)用于信號(hào)指示、裝飾照明、景觀照明，家具照明、路燈等，不同應(yīng)用場(chǎng)合的照明必須設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源才能滿足需求[1-3]。

由于LED自身的伏安特性及溫度特性，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求非常高，必須研發(fā)可靠、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)器與之匹配[4-5]。通常，對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器的基本要求有：高功率因素（Power Factor Corrector，PFC），高效率，恒流控制等，本文選用最新應(yīng)用控制芯片，通過(guò)合理的外圍電路設(shè)計(jì)，完成了一款LED驅(qū)動(dòng)電源。

2 方案論證

LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中，通常采用橋式整流和電解電容濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，為下級(jí)變換器提供直流電。由于整流二極管具有單向?qū)щ娦?，只有在正向偏置時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，也就是交流輸入電壓的半個(gè)周期中，只有交流電壓峰值高于電解電容電壓整流二極管才會(huì)導(dǎo)通。因此，在交流電壓的半個(gè)周期內(nèi)，每對(duì)二極管的導(dǎo)通角往往只有60o-70o。雖然交流輸入電壓仍然能保持正弦，但輸入電流卻出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，呈幅度很高的尖峰狀脈沖，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功率因素很低，一般僅有0.5-0.6，影響電源的利用率，對(duì)電能造成巨大浪費(fèi)。此外，輸入端產(chǎn)生的諧波電流也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，影響電能質(zhì)量和供電品質(zhì)，同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾[6]。

美國(guó)能源部于2008年10月發(fā)布的固態(tài)照明光源“能源之星”規(guī)范要求：任何功率等驅(qū)動(dòng)電源都需要強(qiáng)制進(jìn)行功率因數(shù)校正；住宅應(yīng)用LED燈具的功率因素>0.7，商業(yè)用LED燈具的功率因素>0.9。因此在本設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮功率因素校正環(huán)節(jié)。典型功率因素校正方式有無(wú)源PFC和有源PFC兩種類型。無(wú)源PFC電路只使用二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件，拓?fù)浜?jiǎn)單、成本低，但功率因素校正效果較差。實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)電源中較多采用有源PFC，有源功率因素校正技術(shù)是利用集成電路使電流波形主動(dòng)跟隨電壓波形從而達(dá)到功率因素校正的目的，按電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分成降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式四種，本文選用比較成熟的是Boost升壓式電路結(jié)構(gòu)。

在直流供電方面，LED驅(qū)動(dòng)電源按照驅(qū)動(dòng)方式主要可以分為四類：電阻限流控制、線性控制、電荷泵變換器以及開關(guān)變換器等。開關(guān)變換器效率高、控制精準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的電壓/電流控制，非常適合大功率多串式LED 的控制。其中典型降壓型DC/DC變換有：非隔離降壓型（Buck）、反激式拓?fù)?、半橋拓?fù)?。非隔離降壓型一般應(yīng)用在1-10W場(chǎng)合；反激式一般用在25W-100W左右場(chǎng)合；100W以上一般選用半橋拓?fù)洌疚母鶕?jù)功率等級(jí)選擇反激式隔離降壓變換器[6]。

此外，為了保證LED光源穩(wěn)定性及可調(diào)性，需要了解其基本電氣特性，如圖1所示為L(zhǎng)ED光通量與其正向電流、正向電壓的關(guān)系曲線[7]。從圖中可看到，LED的光通量?jī)H取決于驅(qū)動(dòng)電流的大小，LED 兩端的電壓近似為恒值。由此可知，LED 需要采用恒流控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小來(lái)調(diào)節(jié) LED 的輸出光通量。

3.1 PFC電路設(shè)計(jì)

PFC電路設(shè)計(jì)采用了升壓型斬波電路，控制環(huán)節(jié)主要由仙童公司功率因素校正控制芯片F(xiàn)AN7527完成，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。輸出電壓經(jīng)R4、R5電阻分壓進(jìn)入1號(hào)腳，芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)器輸出與3腳輸入的半波電壓瞬時(shí)值相乘，乘法器輸出作為電感參考電流指令，與4腳輸入電流瞬時(shí)值比較，當(dāng)輸入電流值大于乘法器輸出時(shí)，輸出電平翻轉(zhuǎn)，RS觸發(fā)器置“0”，該電平由7腳輸出，關(guān)斷開關(guān)管。因此，乘法器輸出電流即為通過(guò)開關(guān)管的電流的門限值，該門限值隨輸入電壓的變化而近似呈正弦規(guī)律變化。當(dāng)開光管關(guān)斷后，變壓器L2電流慢慢減小，當(dāng)電流接近零時(shí)，又導(dǎo)致引腳5過(guò)零比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，將RS觸發(fā)器置“1”，開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流增大。重復(fù)上面的過(guò)程，電流波形接近正弦波，從而達(dá)到功率因素校正的目的。

3.2 DC/DC直流變換電路設(shè)計(jì)

本級(jí)設(shè)計(jì)選用UC3843作為控制芯片，UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器，具有可微調(diào)的振蕩器、精確的占空比控制、高增益誤差放大器、大電流圖騰式輸出等優(yōu)點(diǎn)，專為反激式DC/DC變換器應(yīng)用而設(shè)置，只需很少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案，其外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。變換器開關(guān)頻率由R9、C12決定。反饋信號(hào)通過(guò)電阻R10、R11進(jìn)入2腳，通過(guò)芯片內(nèi)容高增益誤差放大器構(gòu)成控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)6腳輸出占空比大小。開關(guān)管電流通過(guò)R13進(jìn)行采樣進(jìn)入引腳3，當(dāng)流過(guò)開關(guān)管電流超過(guò)給定值時(shí)，關(guān)斷開關(guān)管。

3.3 恒流限壓控制電路設(shè)計(jì)

如前所述，LED驅(qū)動(dòng)電源必須采用恒流方式。恒流控制的方式很多，此處主要利用AP4310作為主控芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流限壓輸出，AP4310內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由2個(gè)運(yùn)放組成，如圖5所示。AP4310的3號(hào)引腳自帶一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓（第一個(gè)運(yùn)放的正向輸入端），通過(guò)R20、R21輸出電壓采樣反向輸入端（2號(hào)引腳），該運(yùn)放構(gòu)成電壓控制環(huán)，當(dāng)方向輸入電壓過(guò)2.5V，輸出端為低，這樣反饋信號(hào)從光耦通過(guò)二極管D8到運(yùn)放1的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)限壓功能。同理，運(yùn)放2用于調(diào)節(jié)電流，其同相端的參考電壓值由R22、R23決定，反向輸入端為從R16采樣電流反饋的電壓值，當(dāng)過(guò)流時(shí)，其反相端電壓超過(guò)同相，運(yùn)放輸出低電位，從而使光耦通過(guò)二極管D9導(dǎo)通，反饋到開關(guān)模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)電流。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)電路，在實(shí)驗(yàn)室制作了一款LED驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)物圖片如圖6所示。

功率因素校正部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為PFC電路電感電流和PWM驅(qū)動(dòng)波形，圖8 PFC電路電感電流和輸出交流電壓波形，通過(guò)圖中可看出輸入電流呈正弦，與輸入電壓相位接近，系統(tǒng)功率因素較整流電路有較大提高。

后級(jí)反激式DC/DC電路波形如圖9和圖10所示。圖9中頻率為71KHZ，占空比為36.49%。圖8為樣機(jī)輸出電壓和電流波形。

從以上波形可看出，設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電源能較好的完成功率因素校正和恒流輸出驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的功能。

5 總 結(jié)

本次設(shè)計(jì)根據(jù)LED的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要求和，對(duì)從功率因素和電路能量變換角度確定了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款高功率因素的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LED驅(qū)動(dòng)電路的有效性。

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