《电子技术应用》

一种原边控制单级PFC变换器LED驱动电源

2017年电子技术应用第11期 作者:张 良1,2,阎铁生1,2,王 军1,2,陈海川1,2,胡 鹏3
2017/12/12 14:42:00

    摘  要: 针对传统Buck-Flyback单级PFC变换器只能采用副边反馈控制方式实现LED恒流,从而导致变换器结构复杂、体积大、成本高的缺点,提出了一种基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源。分析了驱动电源主电路的工作原理和原边控制策略的恒流原理。最后设计了一台输入AC 90~264 V、输出300 mA/12 W的实验样机进行了实验验证。

    关键词: LED驱动;Buck-Flyback变换器;原边控制

    中图分类号: TN86

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166960


    中文引用格式: 张良,阎铁生,王军,等. 一种原边控制单级PFC变换器LED驱动电源[J].电子技术应用,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.

0 引言

    LED因具有光效高、环保、寿命长等优点,已广泛应用于室内、街道、景观照明等领域[1]。驱动电源是LED照明不可或缺的部分,它是保证LED发光品质和整体性能的关键[2]。单级功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器因其器件少、成本低,主要应用于中小功率LED驱动电源中,而本文提到的Buck-Flyback单级PFC变换器具有中间电容耐压值较低,开关管电流应力较低的特点,同时又能保证较高的PF值和效率,近年来得到了较多的研究[3-6]。基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源由于主电路拓扑的限制,只能采用副边反馈对LED负载进行恒流控制,此反馈方式由于副边反馈电路和光电耦合器的存在,使得电源尺寸变大、成本变高。本文提出了一种基于原边控制(Primary Side Regulation,PSR)的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源,同时实现了功率因数校正和对LED的恒流控制,降低了电源体积和成本。

1 基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源

    如图1所示为基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源的原理框图。

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    其中,流过LED的电流经电流采样电阻R4产生反馈电压vfb,反馈电压vfb与参考电压vref的差值经过误差放大器得到误差信号ve,ve的变化会使经过光耦的电流ie变化,流过光耦三极管的电流按照一定的传输比跟随ie变化,使得vcomp改变,控制器根据vcomp的幅值改变驱动脉冲的占空比,从而稳定流过LED的电流。

    由于越来越多的照明应用产品对LED驱动电源的高要求以及考虑到副边反馈中光耦存在所带来的劣势,研究基于原边控制技术的驱动电源很有必要[7]。基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源由于主电路拓扑的限制,无法完成通过对反激变压器部分原边电感电流的采样来实现对LED的输出恒流控制。基于此,本文有针对性地对传统Buck-Flyback单级PFC变换器主电路拓扑进行改进变换,提出了基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源,如图2所示为其电路原理框图。

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    图2中,消除了图1电路中的副边反馈电路和光电耦合器,采用原边控制器实现了降低成本、减小电源尺寸的目的。其次,新型Buck-Flyback单级PFC变换器拓扑是在传统Buck-Flyback单级PFC变换器拓扑的基础上进行的针对性改进变换,采样电阻Rcs和A点信号地的有效放置满足了原边控制技术需采样得到原边电感电流的条件,从而实现了对LED的恒流控制。本文所设计电源主电路运行于断续模式(Discontinuous Current Mode,DCM),即Buck-Flyback单级PFC变换器前级Buck电路和后级Flyback电路均工作于DCM模式,且在一个开关周期内输入电压近似不变。在半个工频周期内,其工作模态大体可分为四个不同阶段:阶段1、阶段2、阶段3、阶段4,所有工作模态的等效主电路如图3所示。

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    阶段1:二极管D5、D7截止,D6导通,开关管Q2导通,输入交流电源通过回路Q2-D6-Cb-Lb对电容Cb充电,电感Lb充磁储能。建立起母线电压vb,建立时间很短。

    阶段2:开关管Q2继续导通,当输入瞬时电压vac小于中间电容Cb电压vb时,整流桥不工作,流过电感Lb的电流为0,D6、D7截止,电路等效为Flyback电路。

    阶段3:当输入瞬时电压vac大于中间电容Cb电压vb,D7截止,开关管Q2工作在[0,ton]时,对于后级Flyback电路,D8截止,输出储能电容C2向负载供电。流过开关管Q2的最大电流只是Buck级或者Flyback级的最大电流值。当ib>ip时,ib=iQ2,iD6=ib-ip,D5截止;而当ip>ib时,ip=iQ2,iD5=ip-ib,D6截止。

    阶段4:当输入瞬时电压vac大于中间电容Cb电压vb,开关管Q2工作在[ton,ts]时,电感Lb上电流通过D7续流,D5、D6、Q2都截止,D8导通,能量传递到输出负载侧。由于Lb与反激级变压器原边电感量Lf的大小不同,此阶段可能存在两种情况:Lb或者Lf两者有一先放电结束。

2 原边控制的恒流原理

    根据LED的特性,LED驱动电源需要恒定流过LED的电流。原边控制技术可以在无需副边反馈的情况下恒定输出电流,上节中图2为基于原边控制的LED驱动电源电路原理图。

    本文设计的原边控制LED驱动电源电路运行于DCM模式,流过采样电阻Rcs的电流只是Flyback级变压器的原边电感电流,电路中主要信号的原理波形如图4所示。

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    如图,在t1时刻,根据功率恒定原则,反激变换器级副边绕组安匝值与原边绕组安匝值应相等,即可得到:

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式中:Rcs是原边电感电流检测电阻;vcsp是一个开关周期内电流检测电阻Rcs上的峰值电压。控制器可以控制vcsp和每个开关周期内Tdis/Ts为一恒定值,故由式(4)可知:只要根据电源设计指标设定np/ns及采样电阻Rcs的值,就能恒定控制流过LED的电流。

3 实验

    现设计如下LED驱动电源样机进行实验验证。实验电路参数为:输入工频电压有效值为90~264 V;电网频率fLine=50 Hz;输出LED电流Io=300 mA;输出电容为两个2 200 μF电容并联,即C2=4 400 μF。主电路Buck变换级电感Lb感量为0.7 mH;Flyback变换级变压器原边匝数np、副边匝数ns和辅助绕组匝数na的关系为np:ns:na=45:16:6,原边励磁电感感量为1.75 mH。采样电阻Rcs取值1 Ω。

    根据电源的电路参数,在输入全电压范围内,选取典型交流输入电压110 V时进行测试。在此输入电压下的LED电流Io实验波形和输入电压、输入电流实验波形如图5所示。

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    从波形可以看出电路正常工作时流过LED的平均电流约为300 mA,电源具有较好的恒流效果,同时由此交流输入电压下的输入电压、输入电流实验波形可以看出输入电流波形跟随输入电压波形并与输入电压同相,电源具有较高的PF值。

4 结论

    本文提出了一种基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源,使用原边控制技术消除了传统Buck-Flyback变换器存在控制复杂,尺寸偏大,成本相对较高的缺陷。实验结果表明流过LED的平均电流被稳定在300 mA左右,在全电压范围内保证了LED的发光品质,并且电源获得了较高的功率因数。

参考文献

[1] 廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106-111.

[2] 杨恒.LED照明驱动器设计步骤详解[M].北京:中国电力出版社,2010.

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[5] 翁武仙,林维明.基于集成Buck-Flyback单级PFC变换器的分析与设计[C].中国电源学会第二十届学术年会论文集,2013.

[6] 郑清良,徐玉珍,李智,等.基于Buck-Flyback单级PFC的LED恒功率控制策略[C].中国电源学会第二十届学术年会论文集,2013.

[7] 廖天澄,王程左,李威.一种原边控制恒流LED驱动电路设计[J].电子元件与材料,2015,34(7):56-59.

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