雙輸出單級PFC變換器的高亮LED驅(qū)動方案

摘要： 提出了一種工作于斷續(xù)模式( DCM) 雙輸出單級反激功率因數(shù)校正( PFC) 變換器驅(qū)動高亮LED 的方法。為了避免變換器兩路輸出的交叉影響，應用時分復用方法實現(xiàn)了每一條輸出支路電流的獨立調(diào)節(jié)，提高了驅(qū)動器的可靠性; 由于此方法只用到一個磁性元件即可實現(xiàn)兩路恒流輸出，進而降低了驅(qū)動器的成本; 變換器工作在DCM、定頻、定占空比時，可獲得較高的功率因數(shù)。最后通過仿真與實驗驗證本文研究結(jié)果的正確性與有效性。

1 引言

如今，LED 已經(jīng)廣泛應用于液晶背光、汽車、交通燈以及通用照明。根據(jù)IEC 61000-3-2 C 類法規(guī)，需要對大于25W 的LED 通用照明驅(qū)動器進行功率因數(shù)校正( Power Factor Correction,PFC) ,因此低成本的功率因數(shù)校正方案成為關注的研究課題。

AC /DC 變換器中常見的有源功率校正( Active PowerFactor Correction,APFC) 電路是兩級PFC 電路，前一級電路用來進行功率因數(shù)校正，后一級電路用作DC /DC 變換器。由于存在兩個級聯(lián)功率級，這一類電路的尺寸和成本通常都比較高，因此，出現(xiàn)了另一類APFC 拓撲，這類拓撲把PFC 電路和DC /DC變換器集成在一起，它們共用一個有源功率開關，成為單級AC /DC 變換器，進而降低了成本，這種APFC 電路現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于鎮(zhèn)流器，充電器中。

將多路輸出變換器作為LED 驅(qū)動器，可實現(xiàn)用一個變換器滿足多個不同等級的恒流輸出需求，從而降低了驅(qū)動器的成本。而傳統(tǒng)的多路輸出變換器，如變壓器耦合方式，加權反饋調(diào)節(jié)方式，雖可實現(xiàn)多路恒壓輸出，但不能實現(xiàn)多路恒流輸出?；诖?，本文提出了一類雙輸出單級反激PFC 拓撲。

此類拓撲在DCM 下，即可實現(xiàn)各路獨立調(diào)節(jié)的恒壓輸出，也可實現(xiàn)各路獨立調(diào)節(jié)的恒流輸出，并且實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。為了避免變換器兩路輸出的交叉影響，應用時分復用方法實現(xiàn)了每一條輸出支路電流的獨立調(diào)節(jié)，從而可使每路分別驅(qū)動不同類型的LED,而且驅(qū)動器其中一路故障不會影響另一支路的正常輸出，提高了驅(qū)動器的可靠性; 由于此方法只用到一個磁性元件即可實現(xiàn)兩路恒流輸出，整流橋后不需要大的高壓儲能電容，進而降低了驅(qū)動器的成本。變換器工作在DCM、定頻、定占空比下，還可獲得較高的功率因數(shù)。最后通過仿真與實驗驗證了本文研究結(jié)果的正確性與有效性。

2 獨立調(diào)節(jié)雙恒流輸出反激拓撲

圖1 為獨立調(diào)節(jié)雙路恒流輸出單級反激PFC變換器的拓撲圖及其開關時序。圖1 (a) 為獨立輸出繞組型拓撲，兩路輸出分別由兩個獨立繞組提供。

圖1( b) 為共用輸出繞組型拓撲，兩路輸出由同一個繞組分時提供。無論是獨立輸出繞組型還是共用繞組型，若兩個電路滿足D1a + D2a < 0. 5,并且D1b +D2b < 0. 5,則可使兩路工作在互補的相位Фa和Фb,通過時分復用信號TMS ( Time-Multiplexing Signal,TMS) 分別對兩路進行復用控制。如圖1 ( c) 所示，當Soa = 1,變換器對A 路輸出進行調(diào)節(jié)，原邊開關電流Ip在D1aT 階段線性上升，在D2a T 續(xù)流階段電流Isb線性下降，D3a T = ( 1 - D1a - D2a) T 時，電流Isb為零，此時，變換器處于DCM 工作模式; 當Sob = 1,變換器對B 路輸出進行調(diào)節(jié)，若B 路工作時變換器也處于DCM 工作模式，就可實現(xiàn)兩路無交叉影響控制。

圖1 獨立調(diào)節(jié)雙路輸出單級反激PFC變換器及其開關時序

Flyback 變換器在DCM 模式下具有天然的PFC能力，輸入電流可以自動跟蹤輸入電壓且保持較小的電流失真。如果變換器工作在DCM、定頻、定占空比下，變換器可以獲得較高的功率因數(shù)。對于本文提出的雙路輸出反激變換器，在DCM 模式無交叉影響的條件下，如果每一路均可以實現(xiàn)較高的功率因數(shù)，那么整個變換器也可以實現(xiàn)較高的功率因數(shù)。

3 功率因數(shù)校正控制實現(xiàn)

如圖2 所示為電壓型PWM 控制雙輸出單級反激PFC LED 驅(qū)動器及控制實現(xiàn)。每路均采用LED串聯(lián)方式連接。A、B 兩路輸出電流的采樣電壓Voa、Vob分別與兩個參考電壓Vref1、Vref2進行比較，再通過誤差比較器產(chǎn)生誤差信號Ve1、Ve2.鋸齒波信號Vsaw同時與這兩個誤差信號進行比較產(chǎn)生C1,C2 信號。

由時分復用信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的時分復用信號TMS給選擇器提供選擇信號，進而決定在一個周期內(nèi)控制器選擇每路的占空比信號C1 或C2.選擇器的輸出信號Vs1經(jīng)過隔離后作為主開關Q1 的驅(qū)動信號，而時分復用信號Vsa( TMS) 及其互補信號Vsb分別作為開關Q2、Q3 的驅(qū)動信號。

圖2 雙路輸出單級反激PFC 驅(qū)動器及控制環(huán)路示意圖

圖3 所示為雙路輸出單級反激PFC 變換器原邊電流iQ1,副邊電流iQ2,iQ3的控制時序示意圖，圖中時分復用信號( TMS ) 決定了調(diào)節(jié)的支路。當TMS = 1 時，變換器對A 路進行調(diào)節(jié)，此時變換器根據(jù)A 路的設計參數(shù)進行工作，此路原邊與副邊開關電流峰值包絡線分別如圖3 中的IQ1_A( θ) 和Ipkp_Q2( θ) 所示; 當TMS = 0 時，變換器對B 路進行調(diào)節(jié)，此時變換器就根據(jù)B 路的設計參數(shù)進行工作，此路原邊與副邊開關電流峰值包絡線分別如圖3 中的IQ1_B( θ) 和Ipkp_Q3( θ) 所示; 變換器輸入平均電流為兩路輸入電流的平均值，如圖3 中的IQ1_avg( θ) 所示。

圖3 雙路輸出單級反激PFC 變換器控制時序示意圖。

為了實現(xiàn)定占空比控制，單級反激PFC 變換器誤差放大器的帶寬必須要小于2 倍工頻，一般為10~ 20Hz 左右，這樣設置的誤差放大網(wǎng)絡對輸出工頻紋波及輸入的正弦電壓不會很敏感，即可實現(xiàn)定占空比要求，從而實現(xiàn)PFC。[!--empirenews.page--]

為了使雙路輸出無交叉影響以及PFC 功能，保證電路工作在DCM 下是非常重要的。為了保證電感電流處于斷續(xù)模式，A 路應滿足：

輸入電壓經(jīng)過全橋整流后可表示為：

其中，Vpkp為輸入電壓的峰值，θ 為輸入頻率，T 為開關周期( = TA + TB) ,TA為一個開關周期內(nèi)A 路的復用時間。半個工頻周期內(nèi)，變換器在定占空比條件下，A 路輸入電流峰值的包絡線為：

其中Ipkp_A為A 路輸入電流的最大峰值。A 路主開關導通時間為：

其中，LP是原邊電感值。A 路副邊開關導通時間為：

其中，LS是副邊電感值; ISP( θ) 是副邊電流峰值，它也是正弦函數(shù); NA為原邊和副邊的匝數(shù)比; Vf是副邊二極管導通壓降。

A 路輸入電流瞬時值為：

要保證A 路工作于斷續(xù)模式，需滿足式( 1) ,將式( 4) ,( 5) 代入，可得臨界電感：

A 路輸入的平均功率可表示為：

若Lp固定，A 路原邊開關電流的最大峰值為：

同理，B 路原邊峰值電流的最大峰值為：

若變換器無能量損耗，則A 路，B 路最大輸出功率為：

如果兩路輸出電壓相等，根據(jù)式( 11) 、( 12) ,那么A路，B 路最大輸出功率與A 路復用占空比DA的關系如圖4 所示：

圖4 A、B 路最大輸出功率與DA的關系圖。

由圖4 可知，如果兩路所需功率不同，比如PA /PB = 2,DA選擇0. 586 可使在滿足兩路輸出功率的前提下最大提升變換器輸出的總功率，此時電感電流處于臨界導電模式。所以根據(jù)每一路的最大需求功率分配復用時間，可以提高電感的利用率。

4 仿真和實驗結(jié)果

為了驗證雙路輸出單級反激PFC 變換器的可行性，根據(jù)圖2 所示的獨立調(diào)節(jié)雙輸出反激變換器以及控制實現(xiàn)要求，選用表1 的電路參數(shù)進行仿真，并制作了樣機。為了簡化設計，設定變壓器原邊與副邊繞組的匝比為36∶ 9∶ 9,選擇時分復用信號的復用時間比TA ∶ TB = 1∶ 1,如表1 所示。

表1 PWM 控制雙輸出單級反激PFC 變換器電路參數(shù)。

圖5 為變換器輸入電壓Vin與輸入電流Iin及主開關的開關電流IQ1的仿真波形，從圖可以看出輸入電流很好地跟蹤了輸入電壓。圖6 為時分復用信號TMS、驅(qū)動信號Vs1、兩路輔助開關電流iQ2,iQ3的實驗波形，圖7 為變換器輸入電壓Vin與輸入電流Iin及流經(jīng)主開關的電流iQ1的實驗波形，可以看出輸入電流能夠很好地跟隨輸入電壓變化，驗證了仿真的結(jié)果，實測PF 值為0. 967; 圖8 為輸出電流Ioa、Iob的實驗波形，可以看出，A 路輸出平均電流Ioa,rms為347mA,紋波Ioa,p-p為32mA,B 路輸出平均電流Iob,rms為173mA,紋波Iob,p-p為32mA,實現(xiàn)了雙路恒流輸出。圖9 所示為樣機正常工作時的實物圖。

圖5 輸入電壓、電流及主開關電流的仿真波形。[!--empirenews.page--]

圖6 各路開關電流及時分復用信號實驗波形。

圖7 輸入電流、電壓及主開關電流實驗波形。

圖8 兩路輸出電流實驗波形。

圖9 樣機實物圖。

5 結(jié)論

隨著高亮LED 的廣泛應用，本文提出了一種基于雙輸出單級反激PFC 變換器驅(qū)動高亮LED 的方法。其中每一條輸出支路電流可獨立調(diào)節(jié)，從而可使每路分別驅(qū)動不同類型的LED; 其中一路故障不影響另一支路的正常輸出，提高了驅(qū)動器的可靠性;由于此方法只用到一個磁性元件即可實現(xiàn)兩路恒流輸出，不需要大的輸入支撐電容，降低了驅(qū)動器的成本，且易于實現(xiàn)隔離及PFC 功能，實測達到了0. 967的PF 值。此方法為需要多路恒流源并且需要實現(xiàn)功率因數(shù)校正的應用提供了一種有效的解決思路。