《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種原邊控制單級PFC變換器LED驅(qū)動電源
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
張 良1，2，閻鐵生1，2，王 軍1，2，陳海川1，2，胡 鵬3
1.西華大學(xué) 四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610039； 2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；3.成都麥隆電氣有限公司，四川 成都610500
摘要： 針對傳統(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器只能采用副邊反饋控制方式實(shí)現(xiàn)LED恒流，從而導(dǎo)致變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于原邊控制的Buck-Flyback單級PFC變換器LED驅(qū)動電源。分析了驅(qū)動電源主電路的工作原理和原邊控制策略的恒流原理。最后設(shè)計(jì)了一臺輸入AC 90~264 V、輸出300 mA/12 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
中圖分類號： TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166960
中文引用格式： 張良，閻鐵生，王軍，等. 一種原邊控制單級PFC變換器LED驅(qū)動電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：136-138，146.
英文引用格式： Zhang Liang，Yan Tiesheng，Wang Jun，et al. A primary side regulation LED driver based on single-stage PFC converter[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：136-138，146.
A primary side regulation LED driver based on single-stage PFC converter
Zhang Liang1，2，Yan Tiesheng1，2，Wang Jun1，2，Chen Haichuan1，2，Hu Peng3
1.Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving Technologies & Equipment， Xihua University，Chengdu 610039，China; 2.School of electrical and electronic information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 3.Chengdu MOLO Electric Ltd.，Chengdu 610500，China
Abstract： The traditional Buck-Flyback single-stage PFC converter only uses secondary-side control to realize constant current, which causes the converter complex and expensive. A LED driver based on the PSR(Primary Side Regulation) Buck-Flyback single-stage PFC converter is proposed in this paper. The operation principle of main circuits of LED driver and the principle of constant current of PSR technology are analyzed. Finally, experimental results verify the correctness of the theoretical derivation based on the prototype with AC 90~264 V input, 300 mA/12 W output.
Key words : LED driver；Buck-Flyback converter；primary side regulation

0 引言

    LED因具有光效高、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、街道、景觀照明等領(lǐng)域[1]。驅(qū)動電源是LED照明不可或缺的部分，它是保證LED發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵[2]。單級功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）變換器因其器件少、成本低，主要應(yīng)用于中小功率LED驅(qū)動電源中，而本文提到的Buck-Flyback單級PFC變換器具有中間電容耐壓值較低，開關(guān)管電流應(yīng)力較低的特點(diǎn)，同時又能保證較高的PF值和效率，近年來得到了較多的研究[3-6]。基于傳統(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器的LED驅(qū)動電源由于主電路拓?fù)涞南拗?，只能采用副邊反饋對LED負(fù)載進(jìn)行恒流控制，此反饋方式由于副邊反饋電路和光電耦合器的存在，使得電源尺寸變大、成本變高。本文提出了一種基于原邊控制（Primary Side Regulation，PSR）的Buck-Flyback單級PFC變換器LED驅(qū)動電源，同時實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和對LED的恒流控制，降低了電源體積和成本。

1 基于原邊控制的Buck-Flyback單級PFC變換器LED驅(qū)動電源

    如圖1所示為基于傳統(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器的LED驅(qū)動電源的原理框圖。

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    其中，流過LED的電流經(jīng)電流采樣電阻R4產(chǎn)生反饋電壓vfb，反饋電壓vfb與參考電壓vref的差值經(jīng)過誤差放大器得到誤差信號ve，ve的變化會使經(jīng)過光耦的電流ie變化，流過光耦三極管的電流按照一定的傳輸比跟隨ie變化，使得vcomp改變，控制器根據(jù)vcomp的幅值改變驅(qū)動脈沖的占空比，從而穩(wěn)定流過LED的電流。

    由于越來越多的照明應(yīng)用產(chǎn)品對LED驅(qū)動電源的高要求以及考慮到副邊反饋中光耦存在所帶來的劣勢，研究基于原邊控制技術(shù)的驅(qū)動電源很有必要[7]?；趥鹘y(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器的LED驅(qū)動電源由于主電路拓?fù)涞南拗?，無法完成通過對反激變壓器部分原邊電感電流的采樣來實(shí)現(xiàn)對LED的輸出恒流控制?；诖?，本文有針對性地對傳統(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器主電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)變換，提出了基于原邊控制的Buck-Flyback單級PFC變換器LED驅(qū)動電源，如圖2所示為其電路原理框圖。

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    圖2中，消除了圖1電路中的副邊反饋電路和光電耦合器，采用原邊控制器實(shí)現(xiàn)了降低成本、減小電源尺寸的目的。其次，新型Buck-Flyback單級PFC變換器拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)Buck-Flyback單級PFC變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行的針對性改進(jìn)變換，采樣電阻Rcs和A點(diǎn)信號地的有效放置滿足了原邊控制技術(shù)需采樣得到原邊電感電流的條件，從而實(shí)現(xiàn)了對LED的恒流控制。本文所設(shè)計(jì)電源主電路運(yùn)行于斷續(xù)模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，即Buck-Flyback單級PFC變換器前級Buck電路和后級Flyback電路均工作于DCM模式，且在一個開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓近似不變。在半個工頻周期內(nèi)，其工作模態(tài)大體可分為四個不同階段：階段1、階段2、階段3、階段4，所有工作模態(tài)的等效主電路如圖3所示。

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    階段1：二極管D5、D7截止，D6導(dǎo)通，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，輸入交流電源通過回路Q2-D6-Cb-Lb對電容Cb充電，電感Lb充磁儲能。建立起母線電壓vb，建立時間很短。

    階段2：開關(guān)管Q2繼續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)輸入瞬時電壓vac小于中間電容Cb電壓vb時，整流橋不工作，流過電感Lb的電流為0，D6、D7截止，電路等效為Flyback電路。

    階段3：當(dāng)輸入瞬時電壓vac大于中間電容Cb電壓vb，D7截止，開關(guān)管Q2工作在[0，ton]時，對于后級Flyback電路，D8截止，輸出儲能電容C2向負(fù)載供電。流過開關(guān)管Q2的最大電流只是Buck級或者Flyback級的最大電流值。當(dāng)ib>ip時，ib=iQ2，iD6=ib-ip，D5截止；而當(dāng)ip>ib時，ip=iQ2，iD5=ip-ib，D6截止。

    階段4：當(dāng)輸入瞬時電壓vac大于中間電容Cb電壓vb，開關(guān)管Q2工作在[ton，ts]時，電感Lb上電流通過D7續(xù)流，D5、D6、Q2都截止，D8導(dǎo)通，能量傳遞到輸出負(fù)載側(cè)。由于Lb與反激級變壓器原邊電感量Lf的大小不同，此階段可能存在兩種情況：Lb或者Lf兩者有一先放電結(jié)束。

2 原邊控制的恒流原理

    根據(jù)LED的特性，LED驅(qū)動電源需要恒定流過LED的電流。原邊控制技術(shù)可以在無需副邊反饋的情況下恒定輸出電流，上節(jié)中圖2為基于原邊控制的LED驅(qū)動電源電路原理圖。

    本文設(shè)計(jì)的原邊控制LED驅(qū)動電源電路運(yùn)行于DCM模式，流過采樣電阻Rcs的電流只是Flyback級變壓器的原邊電感電流，電路中主要信號的原理波形如圖4所示。

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    如圖，在t1時刻，根據(jù)功率恒定原則，反激變換器級副邊繞組安匝值與原邊繞組安匝值應(yīng)相等，即可得到：

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式中：Rcs是原邊電感電流檢測電阻；vcsp是一個開關(guān)周期內(nèi)電流檢測電阻Rcs上的峰值電壓?？刂破骺梢钥刂苬csp和每個開關(guān)周期內(nèi)Tdis/Ts為一恒定值，故由式(4)可知：只要根據(jù)電源設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)定np/ns及采樣電阻Rcs的值，就能恒定控制流過LED的電流。

3 實(shí)驗(yàn)

    現(xiàn)設(shè)計(jì)如下LED驅(qū)動電源樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)為：輸入工頻電壓有效值為90~264 V；電網(wǎng)頻率fLine=50 Hz；輸出LED電流Io=300 mA；輸出電容為兩個2 200 μF電容并聯(lián)，即C2=4 400 μF。主電路Buck變換級電感Lb感量為0.7 mH；Flyback變換級變壓器原邊匝數(shù)np、副邊匝數(shù)ns和輔助繞組匝數(shù)na的關(guān)系為np:ns:na=45:16:6，原邊勵磁電感感量為1.75 mH。采樣電阻Rcs取值1 Ω。

    根據(jù)電源的電路參數(shù)，在輸入全電壓范圍內(nèi)，選取典型交流輸入電壓110 V時進(jìn)行測試。在此輸入電壓下的LED電流Io實(shí)驗(yàn)波形和輸入電壓、輸入電流實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

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    從波形可以看出電路正常工作時流過LED的平均電流約為300 mA，電源具有較好的恒流效果，同時由此交流輸入電壓下的輸入電壓、輸入電流實(shí)驗(yàn)波形可以看出輸入電流波形跟隨輸入電壓波形并與輸入電壓同相，電源具有較高的PF值。

4 結(jié)論

    本文提出了一種基于原邊控制的Buck-Flyback單級PFC變換器LED驅(qū)動電源，使用原邊控制技術(shù)消除了傳統(tǒng)Buck-Flyback變換器存在控制復(fù)雜，尺寸偏大，成本相對較高的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流過LED的平均電流被穩(wěn)定在300 mA左右，在全電壓范圍內(nèi)保證了LED的發(fā)光品質(zhì)，并且電源獲得了較高的功率因數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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