高功率因子低纹波LED驱动电源

田勇等

摘 要：针对现今LED驱动电源功率因子低导致效率低，输出纹波大导致LED灯频闪严重的问题，研制了一种高功率因子低纹波LED驱动电源。该电源由基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST电路和两路并联的BUCK电路组成，实现对功率因子的校正和降低纹波功能，从而提高了LED驱动电源的效率并增加了其使用寿命。测试结果表明该LED驱动电源功率因子高达0.998、效率高达87.8%，最大纹波只有1%。

关键词：LED；低纹波

随着社会的不断发展，LED的需求量越来越大，绿色节能照明已经成为世界各国关注的重要问题，LED的驱动电源便成了关注热点。LED 驱动电源需要具有高功率因数、低纹波、高效率、长寿命等优点[1-2]，但现今的LED驱动电源基本无法同时满足以上要求，因此研究并设计出高功率因素低纹波LED驱动电源成为必要。在开关电源中，为了使输出纹波尽量小，会使用大电解电容进行滤波，电解电容又是制约 LED 驱动电源寿命的主要因素，因此降低输出电流的纹波可以减小LED灯的频闪、增加驱动电源的寿命。由于LED属于感性负载，会拉低交流侧的功率因子，而功率因子低不仅会使电网电流波形发生畸变，也会浪费大量的电能。综上所述，降低纹波和功率因素校正是研究的重点与难点。

近年来，随着LED灯的需求量不断增大，国内外对LED驱动电源的研究十分重视，文献[3] 提出了一种带过温保护功能的 LED 恒流驱动电路设计，该设计由恒流驱动模块和温度传感模块组成。在 LED 电源电压正负变化 10%范围内，驱动电流变化小于 5%，缺点是效率不高。文献[4]提出了一种基于MP4021的LED 照明驱动电源设计，该设计主要分为电磁干扰（EMI）滤波电路、PFC电路、DC/DC变换器3 部分，电路中采用MP4021 作为电源驱动芯片，使用反激变换器来实现 DC/DC 转换。该电路整机效率达到0.83，功率因数高达到0.96，缺点是系统效率不高。文献[5]提出了基于反激变换器的高功率因数 LED 驱动电源设计，该电源是采用反激电路为主电路的单级 PFC 电路，能同时实现 PFC 和 LED 电流控制，功率因数都在0.96 以上，并且整个 LED驱动电源的效率高达 86.85 %，该方案的缺点是输出电流纹波大。

针对上述，本文提出一种高功率因子、低纹波的LED驱动电源，该电源由基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST电路和两路BUCK电路并联组成，提高了功率因子和工作效率，降低了电流纹波。以STM32单片机为主控模块实现恒流稳压控制。

1.高功率因子、低纹波LED驱动电源工作原理

总体来说，分为对功率因数矫正的AC-DC电路，和降低电流纹波的DC-DC电路。单片机通过PWM定时器产生相位相差180度的两路PWM波，经驱动模块驱动后控制两路并联的BUCK电路，市电经变压整流后给BOOST电路供电，有源PFC芯片UCC28019对变压整流后的电流电压信号以及BOOST电路输出电压信号进行采样后输出PWM信号控制BOOST电路用于矫正功率因素，BOOST电路的输出给DC-DC电路提供电压，DC-DC电路由两路并联的BUCK电路组成，DC-DC电路经滤波后给负载通电，单片机通过对负载的电路电流信号进行采集，经计算和判断后通过PWM定时器及时控制PWM波的输出，以保证驱动电源恒流输出。

2.主电路设计

主电路主要由基于UCC28019的BOOST电路和两路并联的BUCK电路组成。

2.1 功率因子校正原理与实现

功率因子校正是基于有源PFC芯片UCC28019的BOOST电路实现，UCC28019是美国TI公司最新的有源功率因数校正（PFC）芯片。该芯片采用电压外环和电流内环的双环控制，来实现功率因子的校正和电压的稳定输出，其中电流内环的作用是控制网侧输入电流的波形和相位，使输入电流波形畸变小、功率因数高；电压外环的作用是控制输入电流的幅值，以使输出直流电压在各种扰动下保持期望值。该芯片内部振荡频率固定为 65kHz，具有峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出过压/欠压保护等众多系统保护功能。

2.2 降低纹波的原理与实现

采用两路BUCK电路并联的拓扑结构实现低纹波输出。

由STM32单片机的PWM波定时器输出两路占空比相等相位相差180°的PWM波，后经PWM波驱动芯片IR2104增加驱动能力作为驱动两路BUCK电路的控制信号，控制开关管CSD19536的通断，对后级储能电感L1、L2进行充放电。

为提高系统效率，上述的两路BUCK电路都为同步BUCK[6]拓扑结构，同步BUCK是由两个开关管组成，其中一个开关管起到了异步BUCK中的二极管的续流作用，但功耗会小于二极管，同步BUCK的两个开关管需要两路相位相反带死区的PWM波所驱动，而上述所说的驱动芯片IR2104具有一路PWM波输入，两路相位相反带死区的PWM波输出的特点。

3.系统软件设计

本设计将用控制芯片STM32单片机对驱动电源进行恒流控制。程序流程描述如下：当系统上电，首先对系统进行初始化处理，电流初始值I_Set为0.5A，等待按键输入，若有按键输入，则记录按键值并更新Set_I；若没有按鍵输入，对输出电流进行采样判断是否过流，若是，则断开继电器进行保护，若没有过流则与设定电流比较，若不等，则控制PWM波的占空比进行调整，实现恒流输出。

4.实验结果与分析

为了验证所提出的LED驱动电路的正确性，在实验室搭建了一台原理样机，交流输入电压为18V/50HZ，负载采用20个LED串联，额定功率20W。 因LED灯管的额定功率为20W，只进行了在其周围小范围内测试。测量结果如表 1 所示。

5.结论

本文设计了一种高功率因子、低纹波的LED驱动电源，采用基于UCC28019的功率因素校正电路及两路BUCK电路并联的拓扑结构，与以往LED驱动电源相比，此电源最大的优点就是能同时具有高功率因子、低纹波、高效率的特点。

该LED驱动电源的功率因子都在0.997以上，整机效率高达87.8%，纹波电流都在输出的1%以下。

参考文献

[1]Narendran N，Gu Y.Life of LED-based white lightsources[J].Journal of Display Technology，2005，1（1）：167-171.

[2]廖忐凌，阮新波. 半导体照明工程的现状与发展趋势[J]. 电工技术学报，2006，21（9）： 10 6-111.

[3]李祥，曾以成，石合地. 带过温保护功能的 LED 恒流驱动电路设计[J]. 电路与系统学报，2013，18（2）： 108-111.

[4]安觅，刘伊莎，夏晨阳. 基于MP4021的LED 照明驱动电源设计[J]. 电力电子技术，2013，47（12）： 33-35.

[5]沈霞，王洪诚，蒋林，许瑾，方玮. 基于反激变换器的高功率因数 LED 驱动电源设计[J]. 电力自动化设备，2011，31（6）： 140-143.

[6]陈亚爱，李卫海，周京华. 同步BUCK变换器的控制技术综述[J]. 电力电子技术，2010，29（28）： 32-36.

[7]代军，苏娅芳，张雪. PID 算法及其演变[J]. 辽宁省交通高等专科学校学报，2003，5（3）： 43-45.