LED电源驱动器功率校正电路仿真研究

李房云,付 悦,谭金平

(南昌航空大学科技学院,江西 九江 332020)

1 引言

现如今,不可再生能源方面面临的危机越来越大,节能问题备受关注,因此,LED照明具有良好的发展前景。LED照明需要不断提升驱动转换效率,使其成为通用照明。LED电源驱动器作为开关电源技术中的一个分支,目前已经受到相关领域专家的关注,很多开关电源厂家投入了大量人力物力对LED电源驱动器进行研发。当前LED电源驱动器采用的驱动方式均为恒流驱动,功率易发生畸变,一定程度上对推广 LED 照明造成了影响。研究LED电源驱动器功率校正电路能够提升LED电源的使用寿命,从而为LED产品带来更长久的使用寿命,因此,对LED电源驱动器功率校正电路的研究具有重要意义。

目前很多学者都在对该问题进行研究。其中阎铁生、陶权保、胡啸天等学者[1]提出一种单级Cuk PFC双路恒流输出功率校正驱动电路,减少了控制器与电感的数量,降低了LED电源驱动器的成本和体积。李红岩、刘韩飞、王伟峰等学者[2]提出一种集数字PID整定算法、温度采集电路、实时监测电路等于一体的功率校正驱动电路。师翔、崔玉旺、赵永瑞等学者[3]则提出一种多环路负反馈结构的功率校正电压跟随电路。

但是,以上已有研究方法在应用过程中均存在用电效率偏低的问题,电源电路的输入电压和电流仍会发生谐波畸变。为解决此问题,设计新的LED电源驱动器功率校正电路,并对其进行仿真测试。

2 LED电源驱动器功率校正电路仿真设计

2.1 变压器仿真设计

使用PSpice 软件实施功率校正电路的建模与仿真设计,使用的仿真程序为PSpice Model Editor[4]。

对于变压器的仿真设计,选用PQ69＿52型号的变压器磁芯,材质为PC44,构建变压器的磁芯模型。根据磁芯模型对变压器参数进行仿真计算[5]。

构建的变压器磁芯模型具体如图1所示。

图1 构建的变压器磁芯模型

首先对变压器进行加气隙处理。使其能够承受大电流,对更多能量进行传递,加气隙的参数设计公式为:

(1)

式(1)中f表示变压器在连续电流模式中出现的直流分量;q指变压器磁芯功耗;H表示气隙有效体积;B表示导通周期处于初始端时所对应的电流值;PR是指变压器磁芯设计功率;s表示磁芯铁氧体的对应磁导率;r是指变压器磁芯热阻[6]。

接着综合变压器磁芯的工作环境、表面热辐射等决定变压器传输功率,将其设计为120W。

变压器的匝数比设计公式具体如下

(2)

式(2)中U1表示磁芯输出电压;U2是指次级整流管的对应压降,所选用的次级整流管为600V的次级快恢二极管,其压降为2V;Vinmin表示输入电压最小有效值,将其设为221V;dmax是指铁损最大降低指数,将其设为0.6[7]。

变压器的初级绕组导线截面积参数设计公式具体如下

(3)

式(3)中I1表示磁芯原边电感;J是指磁芯副边峰值电流。

变压器的次级绕组导线截面积参数设计公式具体如下

(4)

式(4)中Pt表示磁芯原边峰值电流[8]。

根据以上设计参数对变压器进行仿真。

2.2 控制电路仿真设计

基于IR1150 单周期控制芯片实施EMI控制电路的仿真设计,解决LED驱动电源的电磁干扰问题。

首先实施控制电路开关频率的仿真设计,在IR1150名为FREQ 的引脚处接入一个Rt电阻,电阻大小为80kΩ,根据电阻大小将控制电路开关频率设计为150kHz[9]。

接着对控制电路的电流采样电阻与滤波进行设计,IR1150通过引脚ISNS输入电流采样信号。在控制电路中,该引脚的采样对象是采样电阻的电流采样信号,根据芯片工作时的最大负载功率和最小输入电压决定控制电路采样电阻的最大允许值,具体如下式所示

(5)

式(5)中Ve表示芯片工作时的最大负载功率;Ioi是指芯片工作时的最小输入电压。

在控制电路中加入RC低通滤波电路以减少采样误差。该电路的滤波转折频率设计公式具体如下

(6)

式(6)中RP表示RC低通滤波电路的电阻;CP是指RC电路的电流信号采样负值。

控制电路电压反馈电阻的设计具体如下:将总阻值定为1MΩ,选用Rw1、Rw2、Rw3这三个电阻进行串联。其中Rw1、Rw2是误差为1%、阻值为499kΩ的功率电阻,则Rw3的阻值为17.8kΩ,具体计算公式如下

(7)

式(7)中VD表示总电阻的功率消耗;Vq是指Rw1、Rw2的误差。

根据电压反馈电阻决定芯片的过压保护阈值,具体设计公式如下

(8)

式(8)中VI表示IR1150的内部过电压。

就此完成控制电路的仿真设计。

2.3 电源滤波器仿真设计

在电源滤波器的仿真设计中,滤波电感需要在宽频率范围内拥有较为稳定的磁导率,同时其磁导率要高,滤波电容的选择则需要实施1500V-1700V直流电压下的耐压测试。综合以上条件,选择FSD32滤波电感、FDDF21差模滤波电容、FDDF23共模滤波电容。

电源滤波器的电路仿真设计具体如图2所示。

图2 电源滤波器的电路仿真设计

在电源滤波器的安装中,为保证其滤波和散热效果,需要将其安装在LED电源驱动器的机壳上,并且其接地点与机壳的接地点需要保持一致[10]。

2.4 功率因数校正变换器仿真设计

在功率校正电路的仿真设计中,功率因数校正变换器选用的是LLC 谐振变换器,交流电经过电源滤波器会变为100Hz的正弦半波,而通过LLC 谐振变换器能将其升压为400V的DC电压,可以保证正弦半波电压和电流电感成正比例关系,使二者呈现一致的相位,实现功率因数校正的作用[11]。

在功率因数校正变换器的仿真设计中,选用的功率因数校正芯片为FAN7930芯片。该芯片主要通过PWM模式来控制,对输出负载产生的变化能够迅速响应,通过8脚SOP来封装。基于FAN7930芯片构建 LLC 谐振变换器的小信号模型。分析不同模态下,LLC谐振变换器的工作状态;获取变换器中副边二极管和原边开关管实现软开关的条件,设计变换器的三种工作模式。

其中在电流电感断续工作模式中,在关断原边开关管时,电感的能量会完全传输到输出负载端,而导通时,电感电流会保持线性上升模式直到上升到峰值电流值。

峰值电流值的设计具体如下式所示

(9)

式(9)中LZ表示电感值;V*是指输入电流值;TON表示电压反馈控制系数。

当关断原边开关管后,将电感储存能量的值设计为下式

(10)

为实现此模式,电感取较小的值,以使输入电流斜率较大,储存较大能量,同时保证关断原边开关管时电流能够迅速下降。

电流电感断续工作模式主要应用于较小输出功率的场合中。

在电流电感连续工作模式中,功率因数校正变换器能够产生没有纹波、比较平滑的正弦波输入电流。在此模式中,取较大的电感值,使输入电流斜率较小,在一个副边二极管运行周期内产生的变化也较小,从而带来较小的峰值纹波[12,13]。

在该模式下副边二极管峰值电流值的设计具体如下式所示

(11)

通过乘法器方法实现该模式中的功率因数校正,该模式主要适用于较大输出功率的场合中。

在电流电感临界导通工作模式中,将副边二极管和原边开关管的开关频率设定为可变因素,保持固定不变的导通时间,设定以下工作模式[14,15]：

当副边二极管和原边开关管呈现正向的驱动脉冲时,导通开关管,使电感充电,达到以下电感峰值电流

(12)

式(12)中,V**表示次模式中的输入电流值。

由于I***与V**成反比,可以实现最佳的功率因数校正效果。

电流电感临界导通工作模式是电流电感连续工作模式与电流电感断续工作模式的临界状态。

3 电路性能测试

3.1 实验准备

对设计的LED电源驱动器功率校正电路仿真成果进行测试,在测试中,实验装置准备具体如图3所示。

图3 实验装置准备

实验参数设计具体如下:

● LED电源驱动器开关频率:125kHz;

● LED电源驱动器额定负载:1kΩ;

● 输出电压:100V;

● 输入电压:20-120V。

在仿真测试中,为证明提出的仿真成果的优越性,将单级Cuk PFC双路恒流输出功率校正驱动电路、集数字PID整定算法、温度采集电路、实时监测电路等于一体的功率校正驱动电路、多环路负反馈结构的功率校正电压跟随电路的仿真电路作为对比项,进行对比实验。分别将三种电路命名为仿真电路1、仿真电路2以及仿真电路3。利用Simulink软件展开仿真测试。

3.2 输入电压与输入电流波形仿真对比测试

对于设计的仿真电路与三种对比仿真电路,其输入电压波形仿真结果如图4所示。

图4 输入电压波形仿真结果

根据图4的输入电压波形仿真结果,设计的仿真电路表现出了宽脉冲的状态,输入电压畸变最小;仿真电路1表现出了较宽脉冲的状态,输入电压畸变较小;而仿真电路2、仿真电路3表现出了窄脉冲的状态,输入电压畸变较大。通过电压畸变的对比,设计的仿真电路的功率因数最大。

四种对比仿真电路的输入电流波形仿真结果如图5所示。

图5 输入电流波形仿真结果

图5的输入电流波形仿真结果表明,在四种测试仿真电路中,设计的仿真电路表现出了最宽的脉冲状态,表明在四种仿真电路中,设计仿真电路的输入电流畸变最小,功率因数最大。

3.3 谐波分析对比测试

设计的仿真电路与三种对比仿真电路的电流谐波情况具体如图6所示。

图6 电流谐波情况

根据图6的电流谐波情况数据,设计的仿真电路的电流谐波最低,能够提升LED电源驱动器的供电质量,有利于其功率因数的提高;而另外三种仿真电路的电流谐波均高于设计的仿真电路,说明供电质量较差,功率因数较低。

四种仿真电路电压谐波的畸变情况具体如图7所示。

图7 四种仿真电路电压谐波的畸变情况

根据图7四种仿真电路的电压谐波畸变率数据可知,设计的仿真电路的电压谐波畸变率最低,说明通过设计的仿真电路后,输入电压还可以保持的较为标准,谐波畸变较少,功率因数较高;而另外三种对比仿真电路的电压谐波畸变率则较高,说明经过这三种仿真电路后,输入电压会产生较大的谐波畸变,整体功率因数较低。

3.4 220V满载时波形仿真对比测试

在220V输入满载状态时,测试设计的仿真电路与三种对比仿真电路的电感电流纹波波形具体如图8所示。

图8 四种仿真电路的电感电流纹波波形

根据图8四种仿真电路的电感电流纹波波形数据,设计的仿真电路的电感电流纹波波形波动最小,其次是仿真电路2、仿真电路1、仿真电路3。说明设计的仿真电路的电感电流最稳定,波动幅度最小,功率因数最高。

4 结束语

针对LED电源驱动器在功率因数校正的应用需求,以提高LED电源驱动器的用电效率、减少LED电源驱动器造成的电网谐波污染情况为目的,设计了一种LED电源驱动器的功率校正仿电路,对于LED产品走向通用照明有很大意义。由于研究时间的限制,一些细节并未进行深入的剖析与探讨,将会在日后完善研究细节。