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基于填谷电路的恒流式LED高压驱动电源的设计———基于 ...
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基于填谷电路的恒流式LED高压驱动电源的设计———基于填谷电路
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管理员
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电源技术
2014-4-24 08:39:43
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近年来,
LED
灯具(含LED和驱动
电源
)作为一种节能环保型照明灯具正在迅速推广,被广泛用于阅读灯、
手电筒
、汽车方向灯、小型聚光灯,标牌、建筑轮廓及穹顶照明、便携式闪光灯、医疗照明及装饰照明灯等领域。如何降低LED驱动电源的总谐波失真,提高其
功率
因数,具有重要的现实意义。
1 功率因数与谐波失真
对无失真的交流电而言,其输入电压与输入
电流
的表达式分别为
式中的u、i均代表瞬时值,U、I为有效值,&
psi
;表示相角。交流输入的视在功率S=UI,而有功功率P=UIcosψ。仅当cosψ达到1时,P=UI=S。
功率因数的英文缩写为PF(
Power
Factor),其国标符号为λ。功率因数定义为有功功率与视在功率的比值:
交流供电设备的功率因数是在电流波形无失真的情况下定义的。造成功率因数降低的原因有两个:一是交流输入电流波形的相位漂移,二是交流输入电流波形存在失真。相位漂移通常是由电源的负载性质(感性或容性)而引起的,在这种情况下对功率因数的分析相对简单,一般可用公式cosψ=P/(UI)来计算。但是当交流输入电流波形存在失真时,式(3)不再适用。
目前,采用AC/DC变换器的
开关
电源均通过整流电路与电网相连接。其输入整流
滤波器
一般由桥式
整流器
和滤波
电容
器构成,二者均属于非线性元器件。由于大容量滤波
电容器
的存在,使得整流
二极管
的导通角变得很窄,仅在交流输入电压的峰值附近才能导通,致使交流输入电流产生严重失真,变成为尖峰脉冲。这种电流波形中包含了大量的谐波分量,不仅对电网造成污染,还导致滤波后输出的有功功率显着降低,使功率因数大幅度降低。普通AC/DC变换器的功率因数较低,只能达到0.6左右。因此,提高
开关电源
的功率因数不仅能降低线路损耗、还能减少电网的谐波污染,提高电网的供电质量。
总谐波失真是指用
信号源
输入时,输出信号(谐波及其倍频成分)比输入信号多出的谐波成分,一般用百分数表示。功率因数(λ)与总谐波失真(
THD
)存在下述关系:
当交流输入电流与电压保持同相位,且cosψ=1时,式(4)可简化为
利用功率因数
校正
器PFC(Power Factor Corrector),可使交流输入电流与交流输入电压保持同相位并滤除电流谐波,将设备的功率因数提高到接近于1的某一预定值。功率因数校正分无源功率因数校正(PPFC)、有源功率因数校正(APFC)两种类型。无源功率因数校正的特点是电路简单,成本低廉。
2 基于无源填谷电路的9W可调光LED高压驱动电源
如上所述,开关电源的输入整流滤波电路所采用的
整流二极管
和滤波电容均属于非线性元器件,在交流输入正弦波电压为u时,交流输入电流i的波形会发生严重失真,变成了尖峰脉冲,如图1所示。其特点是整流二极管的导通角显着变小,尽管电流有效值大,但电流平均值明显变小。例如,普通硅整流桥的响应时间大约为3
ms
,而50Hz交流电的半周期只有10ms,仅此一项即可使桥臂上整流二极管的导通时间减小到7ms,所对应的导通角就从理想情况下的180°减至126°。
为此,可在AC/DC变换器的输入级增加功率因数校正电路。 “填谷电路”(Valley FillCircuit)就属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右。与传统的
电感
式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显着,并且在输入电路中不需要使用体积笨重的大
电感器
。
由LinkSwitch-TN系列产品
LNK306P
构成的基于无源填谷电路的9W恒流式LED高压驱动电源如图2所示。该电路主要有以下特点:
(1)电路简单,成本低廉。将无源填谷整流滤波电路与LNK306P相匹配,实现功率因数校正。当交流输入电压范围为108~132V时,可将功率因数提高到0.
92
以上,最高可达0.965(所对应的交流输入电压为90V)。满载条件下的电源效率超过85%。
(2)在交流输入端使用了复式
EMI
滤波器(
C1
、L1、L2和C2),R1、
R2
为泄放
电阻
。
(3)利用晶体管(VT,2N3906)电路实现欠电压保护。
(4)在整流桥与填谷电路之间增加了隔离二极管VD5。
全部由无源元器件构成的无源填谷电路如图3所示。总共仅需使用3只二极管(VD6~
VD8
)、两只电解电容器(C3、C4)和一只
电阻器
(R3)。 VD6~VD8采用1N4007型硅整流管。C3与C4的容量必须相等,均采用
22
&
mu
;F/200V的电解电容器。R3选用4.7Ω、2W的电阻器,开机时可限制C3、C4上的冲击电流。填谷电路的特点是C3和C4以串联方式充电,而以并联方式进行放电。VD5为隔离二极管,可将整流桥与填谷电路隔离开。设交流输入电压的有效值为u,峰值电压为UP,整流桥输出的脉动直流电压为
UBR
,VD5右端电压为UA(此即C3和C4上的总电压)。
阶段一:在交流电正半周的上升阶段,由于UBR>UA时,
VD2
、VD3、VD5和VD7均导通,UBR就沿着C3→VD7→R3→C4的串联电路给C3和C4充电,同时向负载提供电流。其充电时间常数很小,充电速度很快。
阶段二:当UA达到UP时,C3、C4上的总电压UA=UP;因C3、C4的容量相等,故二者的压降均为UP/2。此时VD7导通,而VD6和VD8被反向偏置而截止。
阶段三:当UA从UP开始下降时,VD7截止,立即停止对C3和C4充电。
阶段四:当UA降至UP/2时,VD5、VD7均截止,VD6、VD8被正向偏置而变成导通状态,C3、C4上的电荷分别通过VD6、VD8构成的并联电路进行放电,维持负载上的电流不变。
不难看出,从阶段一一直到阶段三,都是由电网供电,除了向负载提供电流,还在阶段一至阶段二给C3和C4充电;仅在阶段四由C3、C4上储存的电荷给负载供电。
进入负半周后,在VD5导通之前,C3、C4仍可对负载进行并联放电,使负载电流基本保持恒定。对于VD1、
VD4
和VD5导通后的情况,读者可参照上文自行分析。
综上所述,利用图3所示无源填谷电路,能大幅度增加整流管的导通角,使之在正半周时的导通角扩展到30°~
150
°(30°恰好对应于UA= UPsin30°=UP/2,150°对应于UA=UPsin150°=UP/2)。同理,负半周时的导通角扩展为
210
°~330°。这样,波形就从窄脉冲变为比较接近于正弦波。这相当于把尖峰脉冲电流波形中的谷点区域“填平”了很大一部分,故称之为填谷电路。实测该LED驱动电源的功率因数λ≥0. 92,完全符合能源之星国际节能标准,并且达到EN55015B国际标准对EMI的限定指标。交流输入电压u、交流输入电流i及UA点的时序波形对照如图 4所示。
当
MOSFET
导通时,
VD9
处于反向偏置而截止,电流途经输出滤波电容C4、负载及储能电感L2,在向负载提供恒定电流的同时,还有一部分电能储存在 L2上。当MOSFET关断时,L2产生的反向电动势使VD9导通。L2上的电能就通过VD9向负载继续供电,并对C8充电。LNK306P采用开/关控制法。当反馈到FB端的电流超过49μA时,禁止MOSFET在该开关周期内工作;进入下一开关周期后,再次对FB端的电流采样,若电流小于49μA,则允许MOSFET工作。对输出电压的调节就是通过禁止(跳过)或使能开关周期来完成的。
3 结束语
利用填谷电路来增加整流管的导通角,使输入电流波形从尖峰脉冲变为接近于正弦波,能大幅度地提高功率因数,显着降低总谐波失真。该设计方案对于设计节能环保型LED灯具的驱动电源具有实用价值。
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