两级式高功率因数LED照明驱动电源的研究

武杰，王春芳，刘茂盛

(青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071)

两级式高功率因数LED照明驱动电源的研究

武杰，王春芳，刘茂盛

(青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071)

针对目前市场上LED照明驱动电源功率因数低、电流谐波大的问题，介绍了一种改进的两级式高功率因数LED照明驱动电源拓扑。该电源的前级采用Boost拓扑构成功率因数校正级，后级采用准谐振反激式拓扑构成DC/DC功率变换级，两级电路共用一个控制电路，简化了电路结构。分析了实现功率因数校正的控制原理，给出了主要的设计参数。制作一个额定功率为12W的实验样机，进行功率因数校正、恒流稳压输出等实验，实验结果证明了该设计方案及控制方法的可行性与有效性。

LED驱动电源;两级式;功率因数校正;反激电路

1 引言

传统LED灯驱动电源的功率因数(Power Factor，PF)在0.5～0.65左右，其输入电流具有高次谐波分量［1，2］，如果LED灯普及到千家万户，其共同作用时会对电网产生严重污染。为此，科研人员在提高LED灯驱动电源的功率因数上进行了大量的研究，最新的研究成果主要集中在带有源功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)的两级式或单级式电源拓扑方面。

两级式PFC驱动电源具备最好的功率因数和谐波抑制效果，并且由于PFC级独立，可对DC/DC级的直流输入电压进行预调节，输出电压精准，带负载能力强［3-5］。但是PFC级需单独使用一个开关管及一套控制电路，元器件多、成本高、损耗较大，因而制约了其在低功率场合的应用［6，7］。

单级式PFC驱动电源将PFC与DC/DC功能合并成一级，器件少、成本低、效率高，在LED照明领域得到了大量研究与应用［6-10］。但是单级PFC驱动电源具有以下一些缺点:如一次侧需去掉电解电容，二次侧需加上数十倍的大电解电容，否则纹波和两倍工频闪烁难以避免［6，11］;存在工频闪烁，特别是在小角度切相输出的时候;输入电流尖峰较大［11］。

针对两级式和单级式PFC驱动电源的优缺点，本文介绍了一款新型两级式PFC驱动电源。该电源采用一个控制芯片iW3614统一控制PFC级和DC/DC级，两级电路共用一个控制电路，既具有传统两级式拓扑的精准调节效果，又简化了电路，减小了体积，实现功率因数校正与谐波抑制功能的同时，达到恒流输出的效果。

2 传统两级和单级LED驱动电源

常用的传统两级PFC驱动电源结构如图1所示，其前级采用Boost拓扑构成PFC电路，后级采用反激变换器拓扑构成DC/DC功率变换电路。该电源能实现高功率因数，且达到电气隔离的作用，但是需用两个芯片分别控制前后两级的开关管，其电路结构复杂，可靠性降低，效率难以大幅提高，较难实现小型化封装。

常用的单级PFC驱动电源结构如图2所示，该电源由一片集成芯片控制，同时实现功率因数校正和恒流稳压输出。但这种电源存在一个突出的缺点，即二次侧存在较大的两倍于工频电流的纹波及闪烁，需要在二次侧施加较大的电解电容来解决，从而限制了其推广应用。目前，科研人员正在就去掉电解电容和无频闪方面进行研究［7，12］。

图1 传统两级式LED驱动电源Fig.1 Conventional two-stage LED power supply

图2 单级式LED驱动电源Fig.2 Single-stage LED power supply

3 改进的两级式驱动电源

图3所示为本文介绍的改进后两级式PFC驱动电源，其中由L1、Q2、R2、R3、D2、C1等构成Boost前级PFC电路;由T1、Q1、D3、C5等构成准谐振反激式后级DC/DC功率变换电路。控制芯片iW3614的OUTPUT、OUTPUT_TR管脚分别为Q1、Q2提供驱动信号［13］。

驱动电源启动过程完成后，Boost电路进入功率因数校正模式。通过iW3614的VIN管脚检测输入端整流后的线电压Vin，并将VIN管脚内部电阻Rvin的分压Vin_a作为芯片内部逻辑控制单元的一个输入，如图4所示。

首先将Vin_a与芯片内部阈值电压0.14V作比较，当Vin_a＞0.14V时，芯片内部产生Vcross脉冲，并由Vcross脉冲的频率跟踪Vin的频率，如图5所示。在Vcross信号为高电平时，即tcross时间内，根据iW3614内部控制单元的定义，分别按照式(1)与式(2)调整开关管Q2的导通时间Ton与周期T，并由此控制流经电感L1的平均电流与输入电压同相位，使电路具有高的功率因数。

图3 改进的两级式LED驱动电源Fig.3 Improved two-stage LED power supply

图4 整流输入电压Vin检测示意图Fig.4 Schematic diagram of input rectified voltage sensing

图5 功率因数校正相关波形Fig.5 Waveforms of power factor correction

另外，根据式(1)与式(2)可知，R1的选择将影响Q2的导通时间与周期，从而影响功率因数校正的效果。iW3614设定VIN管脚内阻Rvin的分压系数Kvin为0.0043，即:

假定VIN管脚内阻Rvin为2.5kΩ，则R1应取为:

设计中取为一个270kΩ与一个300kΩ的电阻相串联。

DC/DC功率变换级采用初级侧反馈技术，通过iW3614的Vsense管脚检测辅助绕组的电压，Isense管脚逐周期检测原边电流峰值，当输出电压或电流出现偏差时，改变开关管Q1的驱动信号，实现恒流稳压输出。

4 实验结果

设计了一台额定功率12W的LED驱动电源样机，主要设计参数如下:输入电压为180～264VAC/ 50Hz;输出电压为20～30VDC，输出电流为350mA;变压器原副边匝数比为3.5，原边电感为3.6mH; Boost电感为3.3mH，Boost滤波电容6.8μF/450V，DC/DC输出滤波电容为100μF/50V;DC/DC功率变换级的开关管采用FTU04N60，Boost功率因数校正级的开关管采用FTU02N60;控制芯片选用iW3614。

在实验过程中用9个串联的350mA/1W白光LED灯珠作为驱动电源的负载。当输入电压为220VAC时，输入电压和输入电流的波形如图6所示，从图6中可以看出，输入电流为正弦波，且与输入电压基本同相位，较好地跟随了输入电压的变化，从而提高了功率因数。

功率因数的实测值如图7所示。从图7中可以看出，在整个输入电压范围内(180～264VAC)，功率因数都在0.96以上，达到了设计要求。

图6 输入电压与输入电流实验波形Fig.6 Experimental waveforms of input voltage and current

图7功率因数随输入电压变化曲线Fig.7 Curve of power factor and input voltage

图8为电源的输出电流波形。从图8中可见输出电流基本稳定在371mA，电流纹波为20mA，实现了恒流输出，且精度较高。从图8中也可以看出该电源的输出电流中存在66kHz的开关噪声。

图8 输出电流波形图Fig.8 Waveforms of output current

5 结论

本文介绍了一种改进的两级式高功率因数LED照明驱动电源拓扑，该拓扑的PFC级和DC/DC功率变换级共用一个控制电路，大大简化了电路结构。制作了电源样机，通过功率因数校正和恒流稳压输出实验，表明其具有较高的功率因数，能够实现恒流稳压控制，并且电源的体积也较小，便于封装，具有一定的推广应用价值。

［1］Steve Winder.LED驱动电路设计(Power supplies for LED driving)［M］.谢运祥，王晓刚，译(Xie Yunxiang，Wang Xiaogang，Trans.).北京:人民邮电出版社(Beijing:Posts＆Telecom Press)，2009.

［2］周志敏，周纪海，纪爱华(Zhou Zhimin，Zhou Jihai，Ji Aihua).LED照明技术与应用电路(LED lighting technology and application circuit)［M］.北京:电子工业出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry)，2009.

［3］Athalye P，Harris M，Negley G.A two-stage LED driver for high-performance high-voltage LED fixtures［A］.27thAnnual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.2012.2385-2391.

［4］Qingcong Hu，Zane R.Off-line LED driver with bidirectional second stage for reducing energy storage［A］.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition［C］.2011.2302-2309.

［5］Chao-Lung Kuo，Tsorng-Juu Liang，Kai-Hui Chen，et al.Design and implementation of high frequency AC-LED driver with digital dimming［A］.Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems［C］.2010.3713-3716.

［6］Yuequan Hu，Huber L，Jovanovi'c M M.Single-stage，universal-input AC/DC LED driver with current-controlled variable PFC Boost inductor［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(3):1579-1588.

［7］马红波，郑聪，余文松(Ma Hongbo，Zheng Cong，Yu Wensong).无电解电容的改进型SEPIC LED照明驱动(The SEPIC PFC without electrolytic capacitor for offline LED lingting application)［J］.电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2012，27 (6):139-146.

［8］Pan Tian Fu，Chiu Huang Jen，Cheng Shih Jen，et al.An improved single-stage flyback PFC converter for highluminance lighting LED lamps［A］.Proceedings of 2007 8thInternational Conference on Electronic Measurement＆Instruments［C］.2007.4:212-215.

［9］Tzuen-Lih Chern，Li-Hsiang Liu，Ping-Lung Pan，et al.Single-stage flyback converter for constant current output LED driver with power factor correction［A］.4thIEEE Conference on Industrial Electronics and Applications［C］.2009.2891-2896.

［10］沈霞，王洪诚，蒋林，等(Shen Xia，Wang Hongcheng，Jiang Lin，etal.).基于反激变换器的高功率因数LED驱动电源设计(Design of high-power-factor LED driver power supply based on flyback converter)［J］.电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment)，2011，31(6):140-143.

［11］Scott Brown.Flicker and dimmer challenges in LED-lamp design［EB/OL］.(2012-5-19)［2013-1-28］.http:// www.powersystemsdesign.com/flicker-and-dimmerchallenges-in-led-lamp-design?a=1＆c=1402.

［12］王舒，阮新波，姚凯，等(Wang Shu，Ruan Xinbo，Yao Kai，et al.).无电解电容无频闪的LED驱动电源(A novel LED driver without electrolytic capacitor and flicker)［J］.电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2012，27(4):173-178.

［13］iWatt Inc.iW3614 AC/DC digital power controller for high power factor dimmable LED drivers［EB/OL］.(2012-2-1)［2013-1-28］.http://www.iwatt.com/ pdf/Datasheet/iW3614_Datasheet.pdf.

Research on two-stage LED power supply w ith high power factor

WU Jie，WANG Chun-fang，LIU Mao-sheng
(School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China)

In order to solve the disadvantages of the present LED power supply，such as low power factor and large harmonic current，a novel LED power supply with two-stage power factor correction was introduced in this paper.The first PFC stage of the introduced power supply adopts boost topology to improve the power factor，while the second DC/DC stage adopts quasi-resonant flyback topology to provide constant-current control regulation of the output.The PFC stage and the DC/DC stage are controlled by the same controller，which simplifies the circuit structure，and achieves power-factor-correction and constant-curent driving concurrently.The operating principle ofpower factor correction was analysed in detail，meanwhile，themain design parameterswere provided.A prototype of a 12W LED power supply was implemented and tested.The experiment results show that the power factor of the power supply is higher than 0.96，and the circuit design and controlmethod are verified to be correctand effective.

LED power supply;two-stage;power factor correction;flyback circuit

TM46

A

1003-3076(2014)08-0072-05

2013-02-04

武杰(1984-)，男，山东籍，硕士研究生，研究方向为电力电子技术及应用;王春芳(1964-)，男，山西籍，副教授，博士，从事电能变换及其先进控制技术方面的研究。