基于一種高功率因數的非隔離LED驅動電路設計

引言

LED照明作為一種新興產業技術，正在不斷開拓更廣泛的應用。對于交流電源輸入應用，目前通常使用基于反激式（flyback）拓撲結構開關電源。反激式（flyback）拓撲結構開關電源包括輸入整流濾波電路，開關控制電路，隔離變壓器和副邊整流濾波電路。然而，反激式電源電路效率不高，并且，有些LED照明應用不一定需要隔離，因此，開發低成本高性價比的非隔離LED驅動電路是十分必要的。

IEC國際電工委員會對照明燈具提出了明確的諧波要求，即IEC61000-3-2標準。同時，最新的能源之星（EnergyStar）標準提出對于大于5W的LED照明產品，要求功率因數指標，即PF，必須大于0.7。

本文提出了一種新的高功率因數非隔離LED驅動電路，組合了逐流式功率因數校正電路和采用原邊控制的Buck-boost開關電源電路，電路結構簡單，同時滿足LED驅動電源的高功率因數，高效率，符合電磁兼容EMC標準，高電流控制精度，高可靠性、體積小、成本低等一系列要求。

AP3766簡介

AP3766是BCD公司最新推出的LED專用驅動控制芯片，采用原邊調整控制（PSR）技術實現高精度的恒壓/恒流（CV/CC）輸出，省去了副邊光耦及恒壓恒流控制電路，也不需要環路補償電路實現了電路的穩定控制，并且采用SOT-23-6小體積封裝，顯著縮小系統體積，降低了系統成本。AP3766具有“亞微安啟動電流”專利技術，降低了系統功耗，提升了效率。能夠使得效率大于80%，空載功耗小于30mW。AP3766內置外部元件溫度變化補償及恒流CC收緊技術實現垂直的CC特性，保證了量產情況下±5％的輸出恒流精度。同時，AP3766內置軟啟動，過壓保護，短路保護功能，提高了系統可靠性。

AP3766具有很強的系統適應性，能夠搭配無源PFC逐流式電路，輸出圖騰柱驅動電路等外圍線路滿足高功率因數要求和更大功率輸出。因此，AP3766不僅可以應用于GU10射燈，E27泡燈，也可以應用于PAR燈，直管燈等。

圖1為AP3766的管腳圖。

圖1.AP3766的管腳圖

非隔離方案系統規格要求

LED的光效正在不斷向更高的指標前進，目前提高光效的一種措施是用多顆小電流的LED晶粒串聯組成高壓小電流的LED封裝結構，這樣的結構不僅提高了LED的光效，也有利于提升開關電源的整體效率。然而，由于LED工作電壓比較高，傳統的隔離反激式開關電源不再適用，因為要達到很高的輸出電壓，反激式開關電源的隔離變壓器輸出繞組需要比較多的匝數，變壓器體積將大大增加，原副邊之間的耦合將下降，電路效率也將下降。針對高壓小電流輸出和高效率的系統規格要求，本文提出一種全新的Buck-boost開關電源電路，具有高功率因數，控制方式簡單新穎，元器件數量少，體積小，性價比高的優點。下文將詳細介紹一個輸出110V/60mA規格的高功率因數非隔離LED驅動電源。

電路原理圖

圖2.基于AP3766的高功率因數非隔離LED驅動電路原理圖

圖2中F1為保險絲，VR1為防雷保護壓敏電阻，C1，L1，C2組成π型EMI濾波器。C3，C4，D2，D3，D4構成一個逐流式電路實現功率因數校正功能。逐流式電路提高整流電路功率因數的原理在于增大了整流電路的導通角，在輸入交流電壓大于峰值電壓一半時，整流橋BD1就能導通，避免了傳統不控整流電路只在交流電壓峰值附近才能瞬間導通導致大的電流尖峰和波形畸變問題，從而降低了總諧波失真度，即THD。

經過逐流式電路后，由L1，L2，Q1，D1，C9構成的Buck-boost開關電源電路完成升降壓和恒流輸出功能，控制芯片U1實現Buck-boost開關電源電路的開關控制功能。電感L1，L2，L3通過磁芯T1相互耦合。

采用原邊開關控制方式的Buck-boost開關電源電路工作原理是：設定在一個開關周期內，輸出二極管D1的導通時間為Tons，關斷時間為Toffs，輸出電流峰值為Ipk，耦合電感L1繞組匝數N1，耦合電感L2繞組匝數N2?？刂菩酒琔1控制開關占空比，保持輸出二極管D1的導通時間Tons和關斷時間Toffs比例恒定，則一個開關周期內，輸出電流的平均值為：

圖3為Buck-boost開關電源電路經過二極管D1的電流波形

圖3二極管D1的電流波形

根據安培定理，輸出二極管D1剛導通時輸出電流峰值Ipks與開關Q1電流峰值Ipk有如下關系：

因此，輸出電流的平均值為：

控制芯片U1通過檢測原邊開關電流，控制原邊開關電流峰值Ipk恒定，同時控制開關占空比，保持輸出二極管D1的導通時間Tons和關斷時間Toffs比例恒定，實現了輸出電流的恒定。

圖2中，電阻R1，R9為芯片U1的啟動電阻，連接到芯片的VCC腳，在電路上電后提供芯片一定大小的啟動電流。L3為輔助繞組，與D5，C7構成芯片U1的供電回路。同時，L3輔助繞組電壓經過電阻R6，R7分壓，連接到芯片的FB腳，作為輸出電壓的檢測和保護電路。R2為開關Q1的電流檢測電阻，連接到芯片的CS腳，即U1的電流采樣腳。芯片U1的2腳GND連接到地電位，1腳為輸出驅動腳，輸出一定脈寬的PWM信號，控制開關Q1的開通和關斷。

圖2中變壓器T1采用EE16磁芯，有3個繞組，原邊繞組L1電感量1mH，L1，L2和L3匝比為100:100:28。電路設計工作頻率65KHz。

實驗結果

基于以上電路設計，實驗測試相關性能指標結果如下：

傳導EMI測試結果如圖4所示：

圖4傳導EMI測試結果

測試結果表明，在85V到265V寬輸入電壓范圍下，該電路功率因數PF約為0.8，效率大于85%，滿足EMI標準等LED驅動電源各項規格要求。

結論：

本文提出一種基于AP3766的高功率因數非隔離LED驅動電源方案，控制方式簡單新穎，實現了全電壓范圍內的高功率因數，高效率和恒流輸出，具有元器件數量少，體積小，性價比高等突出優點，同時滿足LED驅動電源的高功率因數，高效率，符合電磁兼容EMC標準，高電流控制精度，高可靠性、體積小、成本低等一系列要求。
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