基于IW3623高功率因数LED驱动电源设计

2015-11-16 09:04付贤松郭娜娜李洪超李圆圆任贺宇
电工技术学报 2015年1期
关键词:曲线图功率因数谐波

付贤松 郭娜娜 李洪超 王 婷 李圆圆 任贺宇

(1.天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 300387 2.天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387 3.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387)

1 引言

为了减少电子设备对交流电网的谐波污染,越来越多的国家对用电设备的输入电流谐波含量加以限制,提出了很多限制输入电流谐波的标准,而国内对此也是越来越重视。采用 PFC技术的电源能有效减少LED照明设备对电网的谐波污染,所以高功率因数LED电源是发展的必然趋势[1-2]。

2 PFC电路及变压器设计

基于降低电路成本和缩小电路体积的一个原则,这款电源的主要技术指标:宽范围交流输入电压85~264V,输出恒流700mA,输出功率35W,效率高达85%,功率因数大于95%。

2.1 有源PFC电路设计

这款电源采用有源PFC技术来提高功率因数,限制输入电流的谐波失真[3]。有源PFC的工作原理是通过控制电路使输入电流波形跟随输入电压波形,从而把脉冲形状的输入电流波形正弦化,并与输入电压波形同步[4]。本次设计的PFC电路如图 1所示。

图1 有源PFC电路Fig.1 Active PFC circuit

此款电源的PFC电路采用双级有源PFC电路,与传统的双级电路相比做了些改进:首先,以低成本的双极型晶体管替换价格较高的场效应晶体管;其次,PFC控制芯片集成在主芯片内部,使得整个电源只需要一块控制芯片,简化了电路结构,降低了电路成本[5]。电路中的升压电感

电源一次侧最大峰值电流为1.09A,最大电压为385V,考虑一定的安全裕量,论文选择通用额定值为4A/1 000V的NPN型双极型晶体管D13005ED作为开关管。二极管选用2A/600V的超快速整流二极管ER206。

2.2 变压器设计

高频变压器是驱动电源中的主要器件,它起到传输能量、电压变换和电气隔离的作用。我们采用面积乘积法(AP)法来求磁心尺寸,根据AP值查表找出所对应的磁性材料[6]。

(1)AP法求磁心

AP表示磁心的Ae(有效截面积)与Aw(窗口面积)的乘积。首先由式(2)求出视在功率PT:

式中,Po为输出功率;η表示效率。

Ko=0.4,Kf=4.4,Bw=0.3T,fs=90kHz,铁氧体铁心在温升为25o时Kj=366,x=−0.12,代入式(3)可得:

经过计算,AP约为0.298cm4。通过对比AP参数表,我们发现 AP等于 0.312 8cm4,与计算值0.298cm4相近,所以选择EE25/19铁氧体磁心。

(2)变压器匝比计算

二次输出电压为:

将 Uout(norm)=35V,Ufd=0.5 代入,可得 Uout≈40V。

变压器的最大匝数比Ntr(max)[7]为:

将 Zin=5kΩ,Treset(min)=1.5μs,Uout=40V 代入,可得Ntr(max)=2.3。这里,选择Ntr=1.5。

(3)一次绕组计算

EE25骨架最大磁通密度为Bmax=0.39T,磁心面积Ae=40mm2,变压器的一次侧匝数[8]为:

由式(7)得出一次侧匝数的最小值,根据实际调试结果,选择Npri=44匝最为合适。

(4)次级绕组计算

次级绕组Nsec为:

经计算辅助绕组匝数Nsec为30匝。

(5)辅助绕组计算

辅助绕组Nbias为:

偏置电路中的二极管压降Ud=0.5V,Vcc=11V,代入数据可得Nbias=8.6匝,本设计取Nbias=8匝。

(6)变压器一次侧电感量LP的计算

变压器一次侧电感量为:

式中,Z为损耗分配因子,本文中取Z=0.5。代入数据计算可得LP=723.53μH。

3 设计电路图及测试结果

3.1 整体电路设计

根据外围电路的设计,最终设计的整体电路图如图2所示。

图2 电源原理图Fig.2 Schematic diagra m

电源的PCB版图和电源的电路图如图3所示。

图3 电源PCB图和实物图Fig.3 Power PCB diagram and physical diagram

3.2 PFC测试结果及分析

稳态下输入电压电流波形和输入电流谐波测试图如图4所示。测试工具是远方公司生产的LT-101A LED驱动电源性能测试仪。

图4 输入电压电流波形和输入电流谐波Fig.4 Input voltage and current waveforms and the input current harmonic waveform

图4(a)为输入电压电流波形,为方便区别,这里特别说明一下,上面的曲线为输入电压曲线,下面的曲线为输入电流曲线。从图中可以看出,输入电流的导通角和电压的导通角一致,输入电流波形完全跟随输入电压波形,都是标准的正弦波。图4(b)是输入电流谐波测试图,可以看出此时输入电流总谐波是5.1%,输入电流3次以上谐波基本为零,总谐波失真小,完全符合设计要求。

3.3 电路的总体性能测试结果分析

输入电压为额定电压 220V时电源输出测试图如图5所示。

图5 测试结果图Fig.5 Test result

从以上数据我们可以看出,本次设计的电源输出电压为49.7V、电流0.702A、功率34.9W、效率89%、功率因数0.994,整体误差控制在了3%以内,达到了要求。

3.4 宽范围输入电压与输出参数关系

输入电压从 85~265V宽范围变化时输出电流的曲线图如图6所示。

图6 电流曲线图Fig.6 Current graph

从图中数据我们可以看出,随着输入电压的增大输出电流平稳地降低,没有出现陡升和陡降现象。当输入电压增大到 140V时,输出电流趋于平稳,电流波动在2%以内。

输入电压从 85~265V范围变化时对应的效率曲线图如图7所示。

图7 效率曲线图Fig.7 efficiency graph

从图中可看出电源的效率随输入电压的增大而增大,电源效率在85V时最低,其值为85%,当电压达到140V时效率基本保持在90%左右,满足效率大于85%的要求。

输入电压从 85~265V宽范围变化时功率因数的曲线图如图8所示。

图8 功率因数曲线图Fig.8 Power Factor graph

从图中数据我们可以看出,电源功率因数随输入电压的增加先增加后减少,在 220V时达到最大值,整体PF在0.95以上,满足设计要求。

4 结论

本文设计了一款高功率因数LED驱动电源,对PFC电路和变压器参数进行了设计和计算;对电源功率因数、电流谐波和整体性能进行了测试。结果显示,设计的电源输出电压电流稳定,功率因数大于0.95,效率大于85%,达到了设计目的。本次设计的LED驱动电源极大地减少了对交流电网的谐波污染,有很强的实用价值。

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