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摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器只能采用副邊反饋控制方式實(shí)現(xiàn)LED恒流，從而導(dǎo)致變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于原邊控制的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源。分析了驅(qū)動(dòng)電源主電路的工作原理和原邊控制策略的恒流原理。最后設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸入AC 90~264 V、輸出300 mA/12 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

TN86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.166960

中文引用格式：張良，閻鐵生，王軍，等. 一種原邊控制單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：136-138，146.

英文引用格式：Zhang Liang，Yan Tiesheng，Wang Jun，et al. A primary side regulation LED driver based on single-stage PFC converter[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：136-138，146.

0 引言

LED因具有光效高、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、街道、景觀照明等領(lǐng)域^[1]。驅(qū)動(dòng)電源是LED照明不可或缺的部分，它是保證LED發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵^[2]。單級(jí)功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）變換器因其器件少、成本低，主要應(yīng)用于中小功率LED驅(qū)動(dòng)電源中，而本文提到的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器具有中間電容耐壓值較低，開關(guān)管電流應(yīng)力較低的特點(diǎn)，同時(shí)又能保證較高的PF值和效率，近年來得到了較多的研究^[3-6]?；趥鹘y(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源由于主電路拓?fù)涞南拗疲荒懿捎酶边叿答亴?duì)LED負(fù)載進(jìn)行恒流控制，此反饋方式由于副邊反饋電路和光電耦合器的存在，使得電源尺寸變大、成本變高。本文提出了一種基于原邊控制（Primary Side Regulation，PSR）的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和對(duì)LED的恒流控制，降低了電源體積和成本。

1 基于原邊控制的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源

如圖1所示為基于傳統(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖。

其中，流過LED的電流經(jīng)電流采樣電阻R₄產(chǎn)生反饋電壓v_fb，反饋電壓v_fb與參考電壓v_ref的差值經(jīng)過誤差放大器得到誤差信號(hào)v_e，v_e的變化會(huì)使經(jīng)過光耦的電流i_e變化，流過光耦三極管的電流按照一定的傳輸比跟隨i_e變化，使得v_comp改變，控制器根據(jù)v_comp的幅值改變驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而穩(wěn)定流過LED的電流。

由于越來越多的照明應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的高要求以及考慮到副邊反饋中光耦存在所帶來的劣勢(shì)，研究基于原邊控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電源很有必要^[7]?；趥鹘y(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源由于主電路拓?fù)涞南拗?，無法完成通過對(duì)反激變壓器部分原邊電感電流的采樣來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的輸出恒流控制?；诖耍疚挠嗅槍?duì)性地對(duì)傳統(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器主電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)變換，提出了基于原邊控制的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源，如圖2所示為其電路原理框圖。

圖2中，消除了圖1電路中的副邊反饋電路和光電耦合器，采用原邊控制器實(shí)現(xiàn)了降低成本、減小電源尺寸的目的。其次，新型Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行的針對(duì)性改進(jìn)變換，采樣電阻Rcs和A點(diǎn)信號(hào)地的有效放置滿足了原邊控制技術(shù)需采樣得到原邊電感電流的條件，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED的恒流控制。本文所設(shè)計(jì)電源主電路運(yùn)行于斷續(xù)模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，即Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器前級(jí)Buck電路和后級(jí)Flyback電路均工作于DCM模式，且在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓近似不變。在半個(gè)工頻周期內(nèi)，其工作模態(tài)大體可分為四個(gè)不同階段：階段1、階段2、階段3、階段4，所有工作模態(tài)的等效主電路如圖3所示。

階段1：二極管D₅、D₇截止，D₆導(dǎo)通，開關(guān)管Q₂導(dǎo)通，輸入交流電源通過回路Q₂-D₆-C_b-L_b對(duì)電容C_b充電，電感L_b充磁儲(chǔ)能。建立起母線電壓v_b，建立時(shí)間很短。

階段2：開關(guān)管Q₂繼續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)輸入瞬時(shí)電壓v_ac小于中間電容C_b電壓v_b時(shí)，整流橋不工作，流過電感L_b的電流為0，D₆、D₇截止，電路等效為Flyback電路。

階段3：當(dāng)輸入瞬時(shí)電壓v_ac大于中間電容C_b電壓v_b，D₇截止，開關(guān)管Q₂工作在[0，t_on]時(shí)，對(duì)于后級(jí)Flyback電路，D₈截止，輸出儲(chǔ)能電容C₂向負(fù)載供電。流過開關(guān)管Q₂的最大電流只是Buck級(jí)或者Flyback級(jí)的最大電流值。當(dāng)i_b>i_p時(shí)，i_b=i_Q2，i_D6=i_b-i_p，D₅截止；而當(dāng)i_p>i_b時(shí)，i_p=i_Q2，i_D5=i_p-i_b，D₆截止。

階段4：當(dāng)輸入瞬時(shí)電壓v_ac大于中間電容C_b電壓v_b，開關(guān)管Q₂工作在[t_on，t_s]時(shí)，電感L_b上電流通過D₇續(xù)流，D₅、D₆、Q₂都截止，D₈導(dǎo)通，能量傳遞到輸出負(fù)載側(cè)。由于L_b與反激級(jí)變壓器原邊電感量L_f的大小不同，此階段可能存在兩種情況：L_b或者L_f兩者有一先放電結(jié)束。

2 原邊控制的恒流原理

根據(jù)LED的特性，LED驅(qū)動(dòng)電源需要恒定流過LED的電流。原邊控制技術(shù)可以在無需副邊反饋的情況下恒定輸出電流，上節(jié)中圖2為基于原邊控制的LED驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖。

本文設(shè)計(jì)的原邊控制LED驅(qū)動(dòng)電源電路運(yùn)行于DCM模式，流過采樣電阻R^cs的電流只是Flyback級(jí)變壓器的原邊電感電流，電路中主要信號(hào)的原理波形如圖4所示。

如圖，在t₁時(shí)刻，根據(jù)功率恒定原則，反激變換器級(jí)副邊繞組安匝值與原邊繞組安匝值應(yīng)相等，即可得到：

式中：R_cs是原邊電感電流檢測(cè)電阻；v_csp是一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流檢測(cè)電阻R_cs上的峰值電壓?？刂破骺梢钥刂苬_csp和每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)T_dis/T_s為一恒定值，故由式(4)可知：只要根據(jù)電源設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)定n_p/n_s及采樣電阻R_cs的值，就能恒定控制流過LED的電流。

3 實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)設(shè)計(jì)如下LED驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)為：輸入工頻電壓有效值為90~264 V；電網(wǎng)頻率f_Line=50 Hz；輸出LED電流I_o=300 mA；輸出電容為兩個(gè)2 200 μF電容并聯(lián)，即C₂=4 400 μF。主電路Buck變換級(jí)電感L_b感量為0.7 mH；Flyback變換級(jí)變壓器原邊匝數(shù)n_p、副邊匝數(shù)n_s和輔助繞組匝數(shù)n_a的關(guān)系為n_p:n_s:n_a=45:16:6，原邊勵(lì)磁電感感量為1.75 mH。采樣電阻R_cs取值1 Ω。

根據(jù)電源的電路參數(shù)，在輸入全電壓范圍內(nèi)，選取典型交流輸入電壓110 V時(shí)進(jìn)行測(cè)試。在此輸入電壓下的LED電流I_o實(shí)驗(yàn)波形和輸入電壓、輸入電流實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

從波形可以看出電路正常工作時(shí)流過LED的平均電流約為300 mA，電源具有較好的恒流效果，同時(shí)由此交流輸入電壓下的輸入電壓、輸入電流實(shí)驗(yàn)波形可以看出輸入電流波形跟隨輸入電壓波形并與輸入電壓同相，電源具有較高的PF值。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于原邊控制的Buck-Flyback單級(jí)PFC變換器LED驅(qū)動(dòng)電源，使用原邊控制技術(shù)消除了傳統(tǒng)Buck-Flyback變換器存在控制復(fù)雜，尺寸偏大，成本相對(duì)較高的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流過LED的平均電流被穩(wěn)定在300 mA左右，在全電壓范圍內(nèi)保證了LED的發(fā)光品質(zhì)，并且電源獲得了較高的功率因數(shù)。

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