万其明，蔡教武

(中山职业技术学院，广东 中山 528404)

引言

随LED灯具的普及，LED驱动开关电源的质量越来越受到重视[1-6]。在众多LED开关电源的性能参数中，功率因数是最重要的参数之一。LED开关电源尤其是大功率的LED开关电源，比一般的开关电源对功率因数要求更高更严。

本文展示了一种大功率LED驱动开关电源功率因数校正变换器设计的公式推演,给出了功率因数校正变换器各参数的估算方法和实验结果。

1 功率因数校正变换器

功率因数是有功功率与视在功率的比值，视在功率是有功功率和无功功率的和。功率因数是电力系统的一个重要的技术参数，是衡量电力设备效率高低的一个指标。

对电源的功率因数进行校正，可以减少电力浪费与降低对电网的危害性。升压式的功率因数校正变换器被广泛用于各类电源设备中，其作用可总结如下四条：消除输入电网电流尖峰；使输入的电流与输入电压同相；降低多次及高次电流谐波分量的比重；输出一个略高于输入电压幅值的直流电压。

图1所示为实现升压式功率因数校正的基本电路。与一般的交流整流电路相比，这个电路将容值很大的滤波电容换成小容值的薄膜电容，从而使桥式整流的输出电压不再是相对稳定的直流电压，而是两倍于输入正弦电压频率的半波电压，这样电网电流也不再是在电压峰值供电，可以连续流通，为电流电压保持同相创造了基本条件。

升压式功率因数校正电路的工作模式通常分为连续模式和不连续模式。我们着重研究的是能使功率因数校正变换器工作在另外一种新模式下的电路，此种模式介于连续模式和不连续模式之间，可实现晶体开关管的开通发生在流过晶体开关管的电流为零的那一刻，这就是临界模式。

图1 升压式功率因数校正变换器的基本电路Fig.1 Basic circuit of boost power factor correction(PFC) converter

2 临界模式功率因数校正升压变换器的设计

2.1 电路参数的定义

定义图1中的参数如下：Vac为电网输入电压。Vin为功率因数校正变换器的输入电压，即加在Cin上的电压，以下简称输入电压。Iin为功率因数校正变换器的输入电流，即桥式整流管后的电流，以下简称输入电流。其他参数及释义如表1所示。

2.2 电路参数的公式演算

通常已知参数为Po、η、Vac的范围，接下来的任务就是如何通过已知条件进行各技术参数的计算，对各电路元件做出合理选择或制作，其中最为关键的元件是主回路中的L、Cin、D、Q和控制芯片 IC。

表1 功率因数校正变换器电路参数表

控制芯片IC已选定为某半导体公司生产的L6562，其框图如图2所示。L6562的基本工作原理如下：IC的脚1获取输出电压Vo的信息，这些信息会通过IC内部的误差放大比较器与基准参考信号相比较得到一个常数信号，此常数与脚3获取的正比于输入电压Vin的半波正弦信号相乘，得到一个同时反映输入电压Vin和输出电压Vo的弦信号，此弦信号又被作为另一比较器的基准信号，当脚4获取的反映开关管电流的信号与此弦信号的大小相等时，开关管Q就会关断，之后电感L就会释放它在开关管开通时储存的能量到输出端，流过电感L的电流逐渐减小，当电流减小到零时，IC的脚5就会从电感L的副边得到一个信号使得开关管Q再次开通；如此周而复始，电路如图3所示，得到如图4中的AVERAGE(平均值)电流波形所示的输入电流Iin，它与输入电压Vin同相，从而提高功率因数的值，实现功率因数校正。

图2 L6562内部框图Fig.2 L6562 Block Diagram

图3 L6562典型应用电路Fig.3 L6562 Typical Application Circuit

为更好地计算其他参数，我们首先来研究流经主回路各元件的电流Iin、IL、Id、IQ的特性及之间的关系，如图4和图5所示。

(1)

1)单波电流的特性。

如图5所示，有

T=TON+TOFF

(2)

(3)

图4 IL与开关管Q的Vgs波形对照图Fig.4 IL& MOSFET Q Vgs waveform comparison chart

图5 图4中IL波形的第一个尖波IiFig.5 The first sharp wave Iiof the waveform in the above figureIL

(4)

Ii的有效值(源自作功概念) 为

(5)

其中It=kt+c。

由图4可知，在TON(即0到toff)时段，电流流过开关管Q，在TOFF(即toff到T)时段，电流流过二极管D，那么

(6)

(7)

因此式(5)可转化为

(8)

由式(8)可得

(9)

(10)

由式(9)得

(11)

由式(10)得

(12)

将式(11)、式(12)代入式(7)得

(13)

2)半波电流的特性。

将单波电流特性模型延伸到整个半波的电流中，如图4所示，在每次开关管Q关断的那一刻便有一个Ipk出现，我们假设包络IL波形的幅值为IpL，则有

Ipki=IpLsinθi

(14)

由式(4)可得

(15)

LIpLsinθi=VpsinθiTONi=(Vo-Vpsinθi)TOFFi

(16)

由此可得

(17)

(18)

(a)计算流过电感L的电流有效值和平均值。

(19)

假设Tm被分为足够多的Ti，则式(19)可转化为积分式如下：

(20)

由此可得流过L的电流有效值为

(21)

将式(1)和式(15)代入式(21)可得

(22)

(23)

将式(1)和式(15)代入式(23)可得

(24)

由以上结果可算出流经电感L的最大电流规格。

(b)计算流过二极管D的电流有效值和平均值。

将式(17)代入式(24)得

(25)

由此可得Id的有效值为

(26)

将式(1)和式(15)代入式(26)可得

(27)

其中

可得Id的平均值为

(28)

由以上计算结果我们可初步判定二极管D的最小电流规格。

(c)计算流过开关管Q的电流有效值和平均值。

(29)

(30)

由以上计算结果我们可初步判定开关管Q的最小电流规格。

3)电感L的电参数计算。

如果假设加在电感L两端的电压为V，由电感的V/I特性可得

(31)

即

(32)

所以，

(33)

(34)

由式(33)、式(34)得

(35)

由式(35)可得

(36)

为保障开关电源不会有噪声，一般会规定fs的最小值fsmin，又sinθ的最大值为1，所以有

(37)

将已知参数Vac的上下限有效值代入式(37)，取较小值为电感L电感量的最大值。

我们知道了电感L的最大电感量和最大电流，就可以选择合适的磁芯和圈数。

4)电容Cin的电容值的计算。

(a)计算Cin的最小电容值。假设输入电流iin(t)，电感电流iL(t)，Cin的电流为ic(t)，那么有

iin(t)=iL(t)+ic(t)

(38)

(39)

(40)

(41)

由式(41)可得出Cin的最小值。

(b)计算Cin的最大电容值。假设我们设定功率因数的最小值为PFmin，则有

(42)

由式(42)可确定Cin的最大值。

3 设计验证

参照以上设计方法，已设计出多款电压输入、输出电压为400 V的功率因数校正变换器，充分验证了以上公式计算的正确性和可行性。图6是设计表格。图7是其中一款的电路图，图8是测试的波形，表2是测试数据。

图6 设计表格Fig.6 Design sheet

图7 实验板电路图Fig.7 Evaluation board circuit diagram

图8 实验板输入电压电流波形Fig.8 Evaluation board input voltage and current waveform

Vin /VPin/WVo /VPo /Wη/% PF8587.2399.480.191.86 0.99611085.8399.580.193.36 0.99313584.9399.680.294.46 0.98517584.1399.580.295.36 0.97122083.5399.880.195.93 0.95226482.9400.080.296.74 0.914

3 结论

本文通过对一种大功率LED驱动开关电源功率因数校正变换器设计公式的推演，给出了功率因数校正变换器各参数的估算方法和实验结果，为设计一种稳定的高输入功率因数校正变换器提供了参考。实验结果表明，高输入功率因数的恒流 LED 驱动电源可以去除电路中的电解电容。