基于PFC变换器的小功率 LED驱动电源设计

吕昕 阮黎君 西安铁路职业技术学院

相对于传统光源,LED的照明解决方案更加高效环保，出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑, 越来越多的国家投身到LED研究的热潮当中。当前LED的研究热点集中LED代替荧光灯的室内应用和以路灯代表的室外应用。目前绝大多数的LED采用直流驱动，因此在市电与 LED之间需要加一个电源适配器，即LED 驱动电源。它的功能是把交流市电转换成适合LED的直流电压。

近20年来，迅猛发展的电力电子技术使大量的直流开关电源更加广泛地应用在计算机、通信设备、电力系统、家电、邮电、金融、舰船、飞机等领域， 老式的笨重、低效电源被众多轻巧、高性能新电源所替代。但直到现在，，许多中小功率电源产品为了降低成本而竞相压价,不用功率因数校正器PFC，模糊技术指标，以低价格或回扣来竞争市场。

用杭州远方仪器厂的PF9811智能电量测量仪测量一台小功率开关电源时，电源功率因数值为PF=0.794，输入功率 Pin=69.3W，输入电压 AC=230.8V，输入电流Iin=0.375A。测量打印单给出：电压总谐波 4.3%，电流总谐波 67.8%。

谐波电流污染的两大危害可概括为：(1）增大了稳压电源本身的输入损耗，无功损耗过大，降低整机效率，使交流电网一侧的功率因数值PF下降。(2）电流脉冲变成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入接口端产生失真很大的谐波尖峰分量，它会从输电线辐射出去而污染电网，对邻近的电子设备的稳定工作产生严重的电磁干扰。

美国能源部制定及发布了针对固态照明灯具的“能源之星”标准，对功率因数的描要求是住宅应用的PF大于0.7，商业应用的PF大于0.9。功率因数校正是十几年电源技术研究的重大领域，通过在电路上采取措施，让电源输入电流实现正弦化，也就是使谐波为零，并与输入电压保持同相位，实现功率因数PF=1的理想目标。

高频有源功率因数校正技术，如图1所示，是抑制电网交流输入谐波电流污染的最佳方法。即在交流电网输入经整流之后，先不接大容量的电容器，而是插入PFC电路隔离开，即串联储能电感和升压二极管、并接MOSFET开关管和专用控制集成电路，然后再接大电容器滤波。这就把传统开关电源严重失真的输入电流波形校正为近似正弦波形，并且与输入电压同相位，从而抑制了严重的谐波干扰，使功率因数值升到0.99左右。

高频有源功率因数校正技术是通过相应的一个或者两个反馈控制电路，使输入电流平均值能自动跟随全波整流电压基准并维持直流输出电压稳定。PFC电路使变换器的输入电流与输入电压波形均为正弦波形，并把两者校正成相位相同，它的作用可看成把变换器电路作为一个纯电阻器，故也称之为“电阻仿真器”。有源PFC技术由于变换器工作在高频开关状态，从而具有体积小、重量轻、效率较高和功率因数高等优点。

L6562A是ST公司PFC产品系列的最新器件，主要是应用于TCM的功率因数校正电路，由内部电源、零电流与过电流比较器、误差放大器、PWM比较器、逻辑电路及驱动输出级等单元组成。L6562A的主要特点：乘法器内置THD优化电路，以减小过零点失真，降低THD值；极低启动电流(典型值30uA，保证60uA以下)，可降低芯片功耗；内部参考电压于25℃时误差率在1%以内；使能功能，可将系统关闭，降低损耗，两级的过电压保护、内部启动及零电流侦测功能；在电流侦测输入端内置数字RC滤波器，简化外围电路。800mA的图腾级输出，可用于直接驱动Power MOSFET。

图2为基于L6562A的APFC开关电源原理图。接通电源时，电网交流电压经整流桥整流输出正弦半波直流脉动电压，通过R1给芯片一个启动电流，芯片开始工作。正常工作时芯片由与升压电感稠合线圈供电。IC脚7输出PWM脉冲驱动Q1，控制Ql的通断。直流输出电压经电阻分压器采样输入到IC误差放大器的反相端脚1，与2.5 V的基准电压比较放大，作为乘法器的输入。同时电源电压经R1、R2、R3分压，于脚3得到一正弦半波电压，为乘法器的另一输入源，这两个电压经乘法器乘积后，可得一正弦半波参考电压。当Ql导通时，PFC电感电流依di/dt斜率上升，流经R10，经脚4与正弦参考电压做比较，当脚4电压达到正弦幅值，Q1截止。PFC电感藕合线圈除了提供L6562A工作电源外，另提供开关管导通所需要的零电流ZCD检测信号。当Q1截止时，PFC电感极性反转，藕合线圈为正电位，提供芯片工作电源与脚5(ZCD)的参考电位。当PFC电感能量释放完毕时，藕合线圈的电压也减小，所以脚5的电压随之下降。由于ZCD内部电路为负边沿触发，在下降至0.7 V以下时，芯片输出高电平，使Q导通。因此，经校正输出平均电流波形为一完整的正弦波，且其相位与交流输入电源同相。

图2 基于L6562A的APFC开关电源原理图

经过调试测验验证，在异常情况下，如过压、过温、开路、短路等情况下，能有效的对自身进行保护,并且该设计针对关键的器件进行了可靠性设计，从而有效延长LED灯的使用寿命,该产品具有较高的效率和功率因数。