基于L6562的单级PFC反激LED电源的研究

    LED照明是一种新型照明方式，与传统的白炽灯、荧光灯等照明方式相比，LED光源具有发光效率高、耗能少、使用寿命长、安全环保、体积小等优势，成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。LED芯片是一种低压电流型器件，电流是影响其发光性能的主要因素，现有LED光源普遍采用多颗LED，通过串联或并联组成LED模组来进行照明，为了达到最佳的工作性能，必须要设计合适的LED驱动电源，使其在恒定电流的条件下工作。为了保证LED的优势，针对不同的LED照明产品和应用要求，必须选择合适的驱动电路拓扑结构，使LED驱动电源达到高效率、高可靠性、高功率因数、低成本的要求。 对于30 W～75 W的中小功率LED模组照明，通常选用结构简单、成本低、调试简单的反激拓扑结构。为了达到环保节能的要求，LED驱动电源通常要求PF值大于0.9，因此普通反激电源前端通常还要加入功率因数校正环节，不仅增加了成本，而且体积也难以小型化，效率也不高。而单级PFC反激电路，将功率因数校正与反激电路合二为一，不仅可以得到较高的功率因数，同时具有结构简单、效率高等优点，非常适用于中小功率LED模组照明。

    1 工作原理分析与设计

    1.1 L6562芯片简介

    L6562是意法半导体公司（ST）推出的一款功率因数校正（PFC）控制器[1]。它工作于临界模式（即电感电流处于连续或断续的边界上），与传统PWM变换器工作的连续电流模式或不连续电流模式不同的是，临界模式工作在变频模式下，在输入电压和电流变化的情况下通过快速调节工作频率使输出稳定。L6562在其乘法器中嵌入了电流总谐波失真（THD）优化电路，可以有效控制AC输入电流的交越失真和误差放大器的输出纹波失真，从而提高功率因数，降低输入电流总谐波失真。该芯片主要应用于前级PFC校正电路，本文中将其用于单级PFC反激电路。

    1.2 基于L6562单级PFC反激电路设计与工作原理分析

    L6562单级PFC反激电路结构图如图1所示。交流电压经过前级保护单元和EMI滤波单元后，由整流桥整

其中，Irms为开关MOS管导通时流过电流的有效值。可通过使用导通电阻Rds(on)更小的MOS管来减少损耗。开关损耗是指，在开关过程中，开关管电压Vds和电流Ids发生变化，从“开”到“关”或从“关”到“开”有一个过渡过程，这期间电压Vds和电流Ids存在一个交叠过程，产生较大的损耗即为开关损耗。开关损耗占MOS管损耗的很大一部分。
    在本电路中，如图2所示，在开关MOS管导通之前，由于次级电流已降为0，初级绕组上的电压由于漏感及MOS管上的寄生电容存在而产生振荡，电压开始时刻已经开始下降，在开关管导通时，电压值已经很小，近似于零电压，因而大大减少了导通损耗，从而提高了效率。
2.2.3 次级整流二级管损耗
    次级整流二极管上的损耗可表示为PD=VD Iave，其中VD为次级整流二极管导通时的前向压降，Iave为流过次级整流二极管的平均电流。当输出电流较大时，会产生比较大的损耗。可采用前向电压更小的肖特基二极管或者同步整流的方式来减少损耗。由于同步整流成本较高，且电路复杂，在输出电流较小时效率提升不大，因此本电路采用肖特基二极管作为次级整流二极管。
3 实验结果分析
    根据以上分析，制得实验样机一台，样机基本设计条件如下：输入电压范围160 V~250 V，输出电流2.1 A，输出电压范围25 V~40 V，最小工作频率100 kHz，测试负载为60颗大功率LED组成的6并10串LED阵列（单颗LED工作时前向电压约为3.2 V）。
    图4(a)所示为实验中测得的开关MOS管漏极和源极两端电压波形，放大倍数为500。图4(b)为开关管下端检测电阻Rs两端电压波形，间接反映出流过开关MOS管的电流波形。从图中可以看出，开关MOS管上的电压与电流峰值包络均近似为正弦半波变化，可推测出本电路具有较高的PF值。

    图5为220 V输入电压下输入电压和输入电流波形。从中可以看出，输入电压和输入电流波形均近似为正弦波形，且相位基本一致，故PF值较高，实际测得PF值为0.97。

    图7即为在不同输入条件下，电源效率的变化情况。从图中可以看出，输入电压在160 V~250 V电压范围内变化时，电源效率基本稳定在90%左右，在宽范围输入电压的条件下显示出良好的性能。出于对成本及电路复杂度方面的考虑，本电源后级整流没有采用同步整流的方式。若在输出大电流的条件下，采用效率更高的同步整流方式，更换性能更佳的开关MOS管，则电源效率还将进一步提升。

    本文介绍了基于L6562的单级PFC反激电路的LED驱动电源原理，并对其功率因数与效率进行了理论分析。该驱动电源将传统两级电源中的前级PFC校正电路与后级DC-DC电路合二为一，电路结构简单，通过同时采样输入电压和输出电压的信号，使开关导通时间随输入电压波形变化而改变，从而使电源输入的电流跟随输入电压波形变化，以获得高的PF值。此电路工作于临界导通模式，在开关MOS管在导通之前，开关MOS管两端电压已开始下降，减少了开关MOS管的开关损耗，从而有效提高电源效率。通过制作样机并对实验结果分析，验证了此种LED驱动电源在较宽的电压范围内，具有较高的功率因数和效率。

参考文献

[1] STMicroelectronics.L6562a Transition-mode PFC controller  datasheet[EB/OL].(2007)[2011-8].http://www.st.com.
[2] 江磊，蒋晓波，陈郁阳，等.一种用于LED路灯的高效率电源驱动器设计[J].照明工程学报，2009，20（4）：55-57.
[3] ADRAGNA C.Design Equations of high-power-factor  flyback converters based on the L6561[EB/OL].STMicroelectronics application note AN1059，(2003)[2011-8]http:// www.st.com,2003.
[4] MANIKTALA S.精通开关电源设计[M].王志强译.北京：人民邮电出版社，2008.
[5] PRESSMAN A I.开关电源设计（第2版）[M].王志强译. 北京：电子工业出版社，2005.
[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2005.
[7] CHERN T L，LIU L H，PAN P L，et al.Single-stage flyback  converter for constant current output LED driver with power factor correction[C].IEEE ICIEA，2009：2891-2896.
[8] BROECK H，SAUERLANDER G，WENDT M.Power driver  topologies and control schemes for LEDs[C].IEEE APEC，2007：1319-1325.
[9] 邓卫华，张波.临界模式下的单级功率因数校正电路及储能电容电压控制的研究[J].电工电能新技术，2003，22(2)：38-42.