一种低输出纹波的LED照明驱动器的设计

孙晨琨，陈 强

(1.镇江市消防支队，江苏 镇江 212000；2.镇江市公安消防支队防火监督处，江苏 镇江 212000)



一种低输出纹波的LED照明驱动器的设计

孙晨琨1，陈 强2

(1.镇江市消防支队，江苏 镇江 212000；2.镇江市公安消防支队防火监督处，江苏 镇江 212000)

LED照明驱动器前级一般都需要进行功率因数校正(PFC)，目前常用的是单级PFC控制，单级PFC结构简单但输出含有大量的低频纹波，严重影响了 LED驱动器的使用寿命，因此需要对LED输出电流纹波进行处理。我们设计了一款8.5 W LED驱动器，采用单级PFC结构，并在输出端增加有源纹波补偿电路，分析了该驱动器各部分电路的工作原理，并制作了样机，进行了实验。实验结果表明：所设计的LED驱动器拓扑结构简单，输出纹波小，效率高。

LED；照明；驱动器；纹波；设计；电路；功率因数校正

引言

与传统光源相比，LED光源具有无可比拟的优势[1-2]：光谱丰富、光谱窄、光效高，LED及其驱动器体积小、发热小、使用寿命长；另外，LED驱动器采用开关电源，大大提高了电能的利用效率[3]。

由于LED光源不能直接利用电网提供的交流电供电，因此需要为LED设计合适的驱动电源，而LED驱动电源性能将直接决定整灯的可靠性与寿命。LED驱动电源大都采用开关电源，开关电源具有体积小、效率高的巨大优势。对于市场上的LED驱动器，相关标准都规定了输入端必须采用功率因数校正技术。传统功率因数校正(PFC)校正电路一般采用两级拓扑，两级式PFC电路拓扑复杂且成本较高，因此并不适合用于低成本小功率的LED驱动器。近年来，单级PFC控制技术的提出，使得LED前级PFC校正结构更简单、成本更低，但单级PFC输出端含有大量的低频纹波，严重影响LED驱动器的使用寿命。因此，针对LED驱动器的低纹波输出技术的研究具有重要意义。

本文设计一款8.5W恒流LED照明驱动器，并在输出端引入一种有源纹波补偿电路对纹波电流进行补偿，使得输出电流更接近理想直流。

1 驱动器设计方案论证

开关电源按控制方式主要分为恒压源与恒流源两大类[4-5]，LED驱动大都采用恒流控制，以保证LED的寿命与光衰。开关电源按电路结构可分为隔离与非隔离两大类[6-7]。隔离型利用变压器将电网与输出隔离，保证安全；非隔离型输入输出端的地接在一起，电路拓扑结构简单。LED灯具大部分电源为内置结构，如LED日光灯、球泡灯以及筒灯等，其驱动电源都安装在灯壳内，且一般安装在人触碰不到的地方，因此驱动器可以采用结构简单的非隔离拓扑。

对于LED电源相关机构有一系列的安规及EMC要求，其中对输入电流有低谐波要求，因此LED驱动器的输入端必须加入PFC电路[8]。带PFC功能的驱动器分为单级与两级两种结构，单级PFC将PFC电路与DC/DC电路集成在一起；两级式PFC变换器就是将变换器分为PFC和DC/DC两级，它们因功率等级、成本以及控制难度等因素各有相应的应用场合。在小功率、低成本的LED照明场合适合选择单级PFC拓扑。传统单级PFC校正需要对输入电压采样，因此输出端不可避免的产生大量低频纹波，通常都在输出端接大电解电容进行滤波，而电解电容的寿命很短，与LED的寿命不匹配，本设计采用一种有源纹波电流补偿的方式对纹波电流进行补偿，使得LED驱动器在输出端可以不加电解电容而得到较低的纹波电流。综上所述，本设计采用非隔离型单周期控制单级PFC电路，另外，在驱动器的输出端设计了一种有源纹波电流补偿电路，有效减小了电流纹波，延长了驱动器使用寿命。

2 电路主要组成部分工作原理分析

2.1 单级PFC电路原理分析

本文设计的LED驱动器电路拓扑主要由输入EMI滤波器、单级PFC电路、buck主电路及输出去纹波电路组成。由于EMI滤波电路及buck电路工作原理在相关文献中已有大量的研究，所以本文将不再赘述[9-10]。主要研究单级PFC及输出去纹波电路的工作原理。传统单级PFC电路工作原理如图1所示。

图1 单级PFC工作原理图Fig.1 Single stage PFC working diagram

图1中乘法器的输入分别来自误差放大器的输出和整流后正弦半波的分压，误差放大器的输出为驱动器输出反馈电压与误差放大器内部基准电压之间的差值，因此乘法器输出也是正弦半波，大部分单级PFC芯片都采用逐周期限峰值电流来控制输出电流的平均值恒定，峰值控制原理如图2所示，开关管在峰值电流达到基准时关闭，在下一周期电流到来时开通，周而复始产生驱动信号。图1中由于芯片内部PWM比较器基准端接乘法器的输出，那么采样电阻Rs上的电流峰值也就跟随乘法器输出的正弦半波变化，采样电阻上的电流为DC/DC主电路中电感峰值电流，电感峰值电流反映了输入电流，因此输入电流将跟随输入电压的相位变化而变化，达到功率因数校正的目的。

图2 峰值电感电流控制原理图Fig.2 Peak inductor current control diagram

2.2 输出有源纹波电流补偿电路工作原理分析

由于单级PFC电路整流桥后面没有大电解电容，因此开关波形为整流后的100 Hz正弦包络，故输出端也会含有大量的100 Hz纹波，大的波纹严重影响了驱动器的使用寿命。因此本设计在输出侧设计了一种有源纹波电流补偿电路，电路如图3所示。

图3 有源纹波电流补偿电路Fig.3 Active cancellation ripple circuit

电路稳态工作时的电感电流波形如图4所示。电路工作在稳态时，电感电流iL(t)可以看成是直流成分IL与交流成分ir(t)的叠加，即

iL(t)=IL+ir(t)

(1)

图4 纹波电感电流及补偿示意图Fig.4 Ripple inductance current and compensation diagram

忽略电感电容等元件的寄生参数，运放A1、A2由图3中的DC电源供电设图中电阻R1～R6阻值均为R，根据纹波检测电压与电感两端电压及纹波电流之间的关系，可以求得补偿三极管T的集电极电流为

(2)

(3)

此时，电感电流为

(4)

由基尔霍夫电流定律可知流过LED的电流为

io=IL+IC=IP

(5)

3 主电路设计

本设计的输入电压为85～264 V(AC)全电压范围，输出额定功率为8.5 W，输出电流为80 mA。电路如图5所示。

图5 DC/DC主电路原理图Fig.5 Principle diagram of main DC/DC circuit

主控芯片采用PT4240，PT4240是一款高精度的带功率因数校正的LED恒流驱动芯片。图5中输入电压经整流桥和EMI滤波后通过R1、R2、R3给电容C3充电，当充电电压达到芯片VCC开启电压时芯片开始工作。电路正常工作后输出电压通过二极管D2和电阻R7、R8给电容C3充电维持VCC正常工作，为了降低功耗电阻R1、R2、R3取值不能太小，这里阻值取430 k。电容Ci为输入滤波电容，为了保证电路具有高的PFC值电容值不能取得太大，这里选择0.22 μF的CBB薄膜电容。芯片的1脚为电压补偿端，接在该引脚的电容一般选择0.1 μFCBB电容。芯片2脚为电压反馈端，该脚检测电感电流过流并监测OVP过压点，电阻R4和R9为分压电阻，R9选择20 k,R4选择470 k。芯片3脚为VCC供电脚，接在该脚的电容C2需要能够提供足够的能量保持VCC的正常工作，这里选取2.2 μF的铝电解电容。芯片4脚为电流采样端，接在该脚的电阻Rcs可按式(6)选取：

(6)

式中Uref为芯片内部的基准电压，典型值为200 mA，Iout为LED输出电流。代入数据可得RCS=2.5 Ω，为了提高采样精度这里选择两只5.1 Ω的电阻R5和R6并联。

电感L的取值可按式(7)计算：

(7)

式中Uimax为最大输入电压，Uo为输出电压，Ton为开关开通时间，PT4240芯片为固定开通时间15 μs，ΔI为输出纹波电流峰峰值，假设输出纹波电流峰峰值为40 mA则带入相关数据可得L≤59 mH，设计时取为28 mH的电感。由于输出端采用了有源纹波补偿，因此输出端可以选择较小容量的铝电解电容，甚至可以不用电解电容。

4 实验验证

根据理论分析，我们设计了一台驱动器的样机。图6(a)为输入端电压、电流波形，从图中可以看出输入电流很好的跟随了输入电压的相位，具有高的PF值。图6(b)为芯片内置MOS管的漏源极电压波形，为一典型的馒头波。图6(c)为不加去纹波电路时输出电流波形，图6(d)为加上纹波补偿电路后的输出电流波形，从图6(c)和(d)可以看出加上纹波补偿电路后LED驱动器的输出电流纹波大大降低了。用该驱动器驱动带16颗LED灯珠的球泡灯光输出效果好，无频闪，很适用于家庭照明灯具。

图6 电路主要实验波形Fig.6 Main experimental waveform of circuit

5 结束语

LED照明驱动器的寿命很大程度上取决于输出端的电流纹波大小，在输出端采用无电解的方案将大大增加LED的使用寿命。本文在此基础上设计了一款低纹波输出的带单级PFC功能的非隔离恒流驱动器，该驱动器可以实现很高的恒流精度，并具有极低的电流纹波。将该驱动器用于LED驱动大大增加了LED的可靠性与寿命，对实际工程应用具有重要意义。

[1] 林方盛,蒋晓波,江磊,等. LED驱动电源综述[J]. 照明工程学报,2012,23(增刊):96-101.

[2] 胡进,吕征宇,林辉品,等. LED照明应用现状特征及驱动技术发展综述[J]. 电源学报,2016:1-17.

[3] PRESSMAN Abraham I， BILLINGS Keith, MOREY Taylor. 开关电源设计[M].第3版. 北京：电子工业出版社, 2010.

[4] 李帆, 沈艳霞, 张君继,等. 一种新型高效LED驱动电源设计[J]. 电源技术, 2013, 37(8):1425-1428.

[5] 巢时斌, 丘东元, 张波. LED驱动方式分析及性能比较[J]. 电气应用, 2011(14):40-44.

[6] 姜宇, 郑柱, 何畅芳,等. 基于BP9022A的LED驱动电源高频变压器的设计[J]. 广西物理, 2015(4):18-22.

[7] 张玲琍. Buck型LED驱动电路中电感器的选择[J]. 电源技术应用, 2014(7):21-23.

[8] 周锦荣, 黄闻铭. 高功率因数LED恒流可调驱动电源设计[J]. 电子技术应用, 2015, 41(8):120-123.

[9] 胡力元,闫斌，刘廷章. 大功率 LED 灯具的单级 PFC 恒流驱动及模拟调光技术的研究[J].电测与仪表，2014, 51(13):93-96.

[10] 李振森. 单级PFC反激式LED驱动电源设计与研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学, 2009.

Design of A LED Lighting Driver with Low Output Ripple

SUN Chenkun1, CHEN Qiang2

(1.Fire Brigade of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China; 2.Public Security Fire Brigade Fire Supervision Department of Zhenjiang City, Zhenjiang 212000,China)

In general, the preceding stage of the LED lighting driver needs the power factor correction. Because of its simple structure, the single level PFC is used to correct the power factor. However, the output contains a lot of low ripple, which seriously affect the life of the LED driver. We need to dispose the LED output current ripple, due to the disadvantage of the single level PFC. In this paper, we design a 8.5 W LED driver, which uses a single stage PFC structure, and the active ripple compensation circuit is added in the output end.The working principle of each part of the drive circuit is analyzed, the prototype is made and the experiment is carried out. Experiment results show that the designed LED driver topology is simple, the output ripple is small and the efficiency is high

LED；lighting；driver；ripple；design；circuit；PFC

国家自然基金委专项(项目号：11347219)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.021