摘要

本文介紹一種用于LED照明的75W單級(jí)電源，該電源采用由臨界導(dǎo)通控制模式控制的返馳式轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)，其主變壓器的次級(jí)側(cè)與LED燈串直接相連。這種返馳式轉(zhuǎn)換器透過(guò)恒流回饋電路直接調(diào)節(jié)LED電流。本文描述的電路即使無(wú)需輸入電流感測(cè)和輸入電壓前饋，仍能在寬廣的輸入電流范圍上獲得很高的功率因數(shù)。本文將透過(guò)構(gòu)建和測(cè)試一個(gè)原型實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證有關(guān)電路的有效性。

1.引言

近年來(lái)，LED技術(shù)發(fā)展迅速，由于其具有高能效、較長(zhǎng)壽命和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被視為最有潛力的下一代照明源。此外，LED技術(shù)還能控制色彩、形狀、照明模式以及光線本身。在室內(nèi)或街道LED照明應(yīng)用中，需要一個(gè)把交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓的電源設(shè)備(power supply unit, PSU)，并有多種不同的拓?fù)涔┻x用。由于應(yīng)用的功率限制，低功率LED照明的PSU一般可采用單級(jí)轉(zhuǎn)換器，而大功率LED照明應(yīng)用則普遍采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換器。而本文將介紹一種用于大功率LED照明的單級(jí)PSU。在這個(gè)方案中，功率轉(zhuǎn)換器電路選用返馳式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌驗(yàn)樗恍枰姼惺捷敵鰹V波器；而主變壓器本身就執(zhí)行電感式濾波器的運(yùn)作，而且輸入和輸出級(jí)可被隔離。這種電路采用臨界導(dǎo)通模式(critical conduction mode, CRM) PFC控制器，無(wú)需檢測(cè)輸入電壓和開關(guān)電流，只需要輸出電壓回饋。透過(guò)75W單級(jí)返馳式轉(zhuǎn)換器原型實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)上述單級(jí)PSU、控制方案和回饋方法的可行性進(jìn)行了分析和探討。

2. 用于LED的單級(jí)返馳式轉(zhuǎn)換器

2.1 基本原理分析

圖一 返馳式AC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖

圖一所示為一個(gè)返馳式交流直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。這裡同時(shí)需要恒壓(constant voltage, CV) 和恒流(constant current, CC)回饋電路，以避免過(guò)載和過(guò)壓情況的發(fā)生。在LED照明中，輸出總是滿載，且LED的正向電壓降會(huì)隨LED結(jié)溫的升高而減少。因此，在正常情況下，輸出應(yīng)該由CC模式控制，而CV模式只用于過(guò)壓保護(hù)。

圖二  FAN7530的模組示意圖

這裡，控制IC采用了電壓模式CRM PFC控制器FAN7530，其內(nèi)部模組示意圖如圖二所示。在控制電路中，透過(guò)對(duì)誤差放大器的輸出與內(nèi)部斜坡訊號(hào)進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生開關(guān)訊號(hào)，故無(wú)需輸入電壓和電流。在穩(wěn)態(tài)期間，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，但關(guān)斷時(shí)間是會(huì)改變的。因此，開關(guān)頻率必然隨輸入電壓的變化而變化，如圖三所示。

圖三  開關(guān)頻率的變化

圖四  理論波形

圖四所示為初級(jí)側(cè)開關(guān)電流、次級(jí)側(cè)二極體電流和閘極驅(qū)動(dòng)訊號(hào)(gating signal)的理論波形。MOSFET Q 導(dǎo)通和FRD Do 關(guān)斷時(shí)在電流為零的條件下運(yùn)作，而Q 關(guān)斷和Do導(dǎo)通時(shí)則在硬開關(guān)條件下運(yùn)作。

在返馳式轉(zhuǎn)換器中，變壓器很容易飽和，因?yàn)樽儔浩髦辉诖艤捑€的第一象限內(nèi)運(yùn)作。此外，如果轉(zhuǎn)換器在臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)作，其峰值電流會(huì)比連續(xù)傳導(dǎo)模式下高出很多。因此，鐵芯間應(yīng)留有空氣隙以防止變壓器飽和。

若在單級(jí)AC-DC轉(zhuǎn)換器中采用返馳式轉(zhuǎn)換器，由于MOSFET和FRD的最大額定電壓與變壓器的匝數(shù)比密切相關(guān)，故此選擇正確的匝數(shù)比N2/N1是非常重要的。在MOSFET的汲源額定電壓Vdss 和FRD的反向額定電壓VR之間存在一種折衷關(guān)係，而這種關(guān)係取決于變壓器的匝數(shù)比。匝數(shù)比越大，需要的FRD直流反向電壓VR也越大，MOSFET的Vdss 則越小。相反，較小的匝數(shù)比會(huì)導(dǎo)致MOSFET的電壓應(yīng)力更高， FRD的 VR 減少 。

圖五  VDS /VR 與匝數(shù)比一致

圖五顯示了MOSFET的Vdss 和FRD的VR 之間的折衷關(guān)係。由公式Po=ηVinIin可知，最大輸入電流Iin(max) = Po/ηVin。如果開關(guān)頻率fs 遠(yuǎn)大于交流線頻率fac ，在開關(guān)期間，可把輸入電流看作是恒定的。

若要定義變壓器的激磁電感，就必須先定義最長(zhǎng)開關(guān)周期。當(dāng)載入最小輸入電壓時(shí)，最長(zhǎng)開關(guān)周期就會(huì)在輸入電流的峰值點(diǎn)出現(xiàn)。最大輸入電流和開關(guān)峰值電流定義如下：

在這裡

變壓器初級(jí)側(cè)電壓VT定義如下：

故磁化電感可由下面的算式求得：

MOSFET的電壓應(yīng)力為

這裡，Vsn 是緩沖電路(snubber circuit)的最大電容電壓，Vf (N1Vo/N2) 是返馳電壓，VLr 是變壓器的漏電感上的振鈴電壓(ringing voltage)。正常情況下，VLr 大約是返馳電壓的1.5倍。FRD的最大反向電壓和正向峰值電流相應(yīng)為：

2.2  緩沖電路設(shè)計(jì)

在返馳式轉(zhuǎn)換器關(guān)斷的瞬間，Lleak 與 Coss之間的諧振會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的突波電壓，對(duì)MOSFET造成損耗。所以必須抑制這個(gè)突波電壓，而加入緩沖電路則可以防止MOSFET故障出現(xiàn)，如圖六所示。

圖六  緩沖電路設(shè)計(jì)

緩沖器的鉗位電壓為：

因此，

緩沖電路的最大功耗由下面的算式?jīng)Q定：

最大功耗為：

這裡，vc=Vf +Vsn 。故阻抗Rsn為：

緩沖電路的最大漣波電壓由下面的算式求得：

緩沖器電容越大，電壓漣波越小，但功耗會(huì)隨之增加。所以，選擇正確的參數(shù)值是十分重要的。一般而言，比較合理的選擇是：緩沖電壓為返馳電壓的1.5倍，漣波電壓為50V。

3.  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述電路的有效性，我們構(gòu)建和測(cè)試了一個(gè)75W原型實(shí)驗(yàn)裝置。

圖七  75W原型實(shí)驗(yàn)裝置的照片

表一 電氣參數(shù)

圖八  VGS、VDS 和 Id的實(shí)驗(yàn)波形

圖九  輸入電壓和電流的實(shí)驗(yàn)波形

圖十 輸入電壓為265Vac時(shí)的汲源電壓和開關(guān)電流

圖十一  負(fù)載變化下的輸出電壓和電流

實(shí)驗(yàn)裝置的照片如圖七所示。其電氣參數(shù)見表一。圖八分別給出了110Vac 輸入和 220 Vac 輸入情況下VGS、VDS 和Id 的實(shí)驗(yàn)波形，由圖可看出，開關(guān)電流波形與輸入電壓尖峰吻合良好。圖九給出了110 Vac 輸入和220 Vac輸入條件下的輸入電壓和電流。110 Vac和220 Vac條件下的功率因數(shù)分別為0.997 和 0.955。

為了抑制Lleak 和 Coss之間的諧振引起的MOSFET突波電壓，RCD緩沖電路是不可或缺的。緩沖電路的電壓大約是返馳電壓的1.5倍，漣波電壓估計(jì)為50V。緩沖電路的電阻和電容由下面的公式?jīng)Q定。

圖十三 效率比較

由此可知，最終選擇了三個(gè) 2W 71kΩ電阻、一個(gè)4.7nF/1kV電容，以及一個(gè)UF4005(UFRD)來(lái)構(gòu)成緩沖電路。圖10所示為最大交流輸入電壓為265V時(shí)，汲源電壓電流的波形。電壓漣波測(cè)得為54V，最大電壓應(yīng)力為720V，這表明實(shí)際結(jié)果與計(jì)算所得十分接近。然而，若最大電壓為720V，則需要額定電壓為 800V 的 MOSFET以應(yīng)付寬輸入電壓范圍。圖11所示為負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓電流波形。在100%、75%, 50% 和 25%的負(fù)載條件下，輸出電壓漣波分別為1.76V、1.37V、0.94V 和 0.49V。100%負(fù)載條件下的最大漣波是正常輸出直流電壓的3.67%，并觀察到120Hz的電流漣波。

不過(guò)，由于輸出電流是連續(xù)的，加上120Hz的漣波頻率已足夠高，肉眼是不會(huì)看到閃爍現(xiàn)象。圖12給出了輸入電壓為110 Vac, 和 220 Vac時(shí)，效率特性隨負(fù)載變化的曲線。在110Vac輸入時(shí)，中等負(fù)載條件下測(cè)得的最大效率為85.17%，而在220Vac輸入時(shí)，滿負(fù)載條件下測(cè)得的最大效率為85.95%。圖十三所示為L(zhǎng)ED照明的單級(jí)返馳式轉(zhuǎn)換器原型實(shí)驗(yàn)裝置所采用的恒定電壓和恒定電流模式回饋電路。由于LED的正向電壓降會(huì)隨結(jié)溫的升高而減少，LED串必須由恒定電流模式驅(qū)動(dòng)。圖十四所示為原型實(shí)驗(yàn)裝置的V-I 特性。結(jié)果清楚顯示，對(duì)于所有的電壓條件，恒定電流控制都能夠很好地驅(qū)動(dòng)輸出。

圖十三 恒定電流和恒定電壓回饋電路

圖十四  輸出V-I 特性

4.總結(jié)

本文介紹了一種用于大功率LED照明應(yīng)用的單級(jí)返馳式轉(zhuǎn)換器，并分析了其運(yùn)作原理。即便該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也能夠在整個(gè)輸入電壓范圍上獲得超過(guò)0.95的高功率因數(shù)。我們構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置以驗(yàn)證這種LED照明單級(jí)返馳式轉(zhuǎn)換器的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最大功率因數(shù)和最大效率分別可達(dá)99.7%和85.95%。