基于CRD的新型LED驱动电路及其功率因数补偿方法

杨炎祥，戴初举，周 骅，刘 桥

(1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025；2.力合微电子股份有限公司，广东 深圳 518057)

引言

近年来，节能的LED照明受到了市场的欢迎。但限于传统LED灯具的生产价格高等因素影响，LED照明普及缓慢。因此，探索一种低成本的LED照明方案受到学界的关注。传统的开关电源加入功率因数补偿电路后，成本、体积大大上升，输出转换效率低。本文提出一种摒弃传统开关电源，直接采用全波整流滤波后，经恒流二极管(CRD)驱动LED的方法。该方法的转换效率极高，但功率因数只60%左右，功率因数偏低，无功损耗较大，特别是户外大功率照明等。所以需要对其进行功率因数补偿。

1 LED特性

LED属于二极管的一种，其伏安特性符合式(1),由于二极管的温度升高，导通电压下降，在相同的电源电压下，电流急剧上升。

(1)

由式(1)可知LED是负温度系数器件。发光二极管做成照明灯具，因LED结温升高使工作电流升高，电流升高使发热更大，进入恶性循环。且高温度会使LED产生光衰，影响使用寿命。LED非恒定电流工作对电路的影响流程如图1所示。

图1 可变电流对电路的影响过程Fig.1 Impact of variable current to circuit

2 驱动方法

LED因是单向导电性，做成节能灯须采用直流驱动，所以交流电必须在输入灯珠前进行AC/DC转换，而转换后会产生严重纹波电流。根据LED的导通特性,当电压小于导通电压VLED时，LED处于熄灭状态，因此这种导通-截止-导通的工作状态，导致平均功率和亮度下降，同时产生100Hz的频闪效应。为了使LED满额定功率工作同时减弱频闪，需接入电容进行滤波得到平稳电压，然后经恒流电路输出平稳电流。

2.1 采用开关电源驱动LED方案

开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种，在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型。如图2中的框图。

图2 开关电源基本电路框图Fig.2 The common block chart of switching power circuit

交流电压经整流滤波电路，变成含有脉动成份的直流电压，经过高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后整流滤波再将这个方波电压变为所需要的直流电压。控制电路部分是脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压电路等构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用的集成电路。控制电路用来调整高频开关管的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

开关电源在输出端接开关管Q和电感L组成电流采样与储能电路如图3所示。作为储能元件的电感L，在开关管导通时，电网经整流滤波电路给LED供电，且同时给电感L储存能量；开关管截止时，此时电感L释放能量，经L-D-LED-L回路保证LED仍处于工作状态。由于开关管导通时，流过LED的电流同时被采样电路检测到，通过比较后进行调制脉宽，达到恒流的目的，如图3所示。

图3 采样与储能电路Fig.3 Sampling and storing circuit

当开关管断开时，电感L容易产生瞬间高压或浪涌电流，可能损坏LED或者控制电路集成芯片，对于电路可靠性是一个潜在威胁。

由此可见，这种方案电路复杂，生产成本高，装配过程复杂，容易损坏，这也是LED灯具价格居高不下的原因之一。但开关电源在LED行业上仍被大量使用，成为LED产业链的重要一环。

2.2 基于CRD的直接驱动LED方式

根据LED的特性可知：LED负载须工作在额定的电压及电流范围内。因此，在供电电压变化的情况下，LED的驱动电路要求能够提供稳定的电流，并且保证LED两端的电压在额定电压范围之内，即LED所需的稳压恒流特性。当供电电压波动时，经整流滤波得到的直流电压也是会变化的，所以LED驱动电路中必须包含恒流元件，而且要求具有很宽的工作电压范围。而CRD正具有恒定电流稳定、工作电压范围宽等特点。本文提出一种基于CRD的新型驱动电路。恒流二极管(CRD)的特性如下：

本文采用的2DHL系列CRD是一种硅材料制造的二端基础电子器件，具有单向导通性，输出的恒定电流大(1mA～90mA)，精度高，开启电压低(3V～3.5V)，恒流电压范围宽(25V～100V)，响应时间快(tr<50ns,tf<70ns)等优点。恒流二极管按照正负极性接入电路中后，回路即可达到恒流的效果，应用简单，实现了电路理论和电路设计中的二端恒流源。用法与普通二极管类似。V-I特性曲线见图4，其实际测量输出曲线见图5[1]。

图4 恒流管伏安特性曲线Fig.4 Curve: Ⅰ-V characteristic of CRD

图5 实际测量输出特性曲线Fig.5 Curve: actual measurement characteristic of output

由图4、图5可知，当输入电压大于开启电压时，CRD能够在很宽的电压区间内实现恒流，从而能保证LED正常工作。因此可以做成供电模块或与LED一起做成模组。

3 几种基于CRD直接驱动LED电路及其比较

图6 输出特性曲线Fig.6 Curve: characteristic of output

3.1 CRD直接驱动

交流市电经过全波整流后串联CRD，对电流进行限定，不加滤波。电路如图7所示。

图7 直接驱动式电路Fig.7 The circuit of direct drive method

这种方法驱动LED，不含容性负载和感性负载，根据式

(2)

可知，其拥有较高的PF值。其中Q为无功功率，P为有功功率。

虽然此方案功率因数较高，电路简单，但负载存在导通角，且电压和电流是纹波驱动，其平均功率并不能达到每颗灯珠的额定功率[2]。因此这种方法驱动点亮要达到要求的流明数，必须使用更多的灯珠，如用隆达公司生产的30颗额定功率0.2W灯珠，点亮后总功率有3.36W，比预想的功率少44%，亮度未能达到额定亮度。输入测试见图8。

图8 电压与电流输入测试曲线Fig.8 Curve: input test of V-I

3.2 接入滤波电容的CRD驱动

根据图7电路，由于电流导通角，尽管有荧光粉的余晖效应，仍会产生100Hz的频闪。所以需通过电容C滤波方式使灯珠在任何时刻都处于导通状态，提高平均功率和亮度的同时也减弱频闪效应。其电路见图9。

图9 带电容滤波的驱动电路Fig.9 Schematic of driver with capacitor filter

使用160颗3.0V/30mA的隆达灯珠、CRD选用2DHL060进行实际测试，结果如表1所示。

表1 简单电容滤波驱动电学测量结果Table1 Electrical measurement result of driver with capacitor filter

此电路有很好的输出转换效率，简单，成本低[3]。虽然总功率提高，频闪减弱，整个回路呈容性，且导通角比较小，相位因素cosφ1小，从而大大降低PF值。输入端实际测量电流波形如图10所示。

图10 补偿前输入端实际电流波形Fig.10 curve: current characteristic of input before adjusting

4 对基于CRD驱动LED电路进行功率因数补偿

4.1 非线性系统中功率因数的定义

式(2)是针对线性系统定义的：要求输入输出电压电流都是同频率的正弦形，否则不能采用计算相位差cosφ的方法。但是在非正弦系统中，因为电压电流波形都不是正弦波，所以非线性系统中的功率因数定义不能使用式(2)来定义。因为在非线性系统里，其电流波形含有多次谐波。电路图9和图11中，整流后的电压电流波形都不是正弦波，虽然整流前的电压波形是正弦波，但是其电流波形不是正弦波。整个系统是一个非线性系统。所以传统利用求相位差得功率因数的方法在此不可用。

本文采用电压有效值和电流有效值的乘积来作为视在功率。在非线性系统中，对于非正弦波电流的有效值可以表示为

(3)

其中I1、I2、···、In为各谐波电流的有效值。

工业上定义功率因数等于实际功率与视在功率之比，即

(4)

4.2 功率因素补偿

对于中大功率的灯或者对电网供电效率有特殊要求的地方，需要对其进行PF值补偿，使其有相对较好的功率因数。针对式(4)对功率因素的重新定义，设计电路图。

图11 功率因数补偿电路Fig.11 Schematic with PF adjusting circuit

当Vac

当Vac≥VLED时，B-R1-D2-CRD-LED与B-R2-CRD-LED两路对LED供电，同时B-R1-C-B回路仍对C进行充电，LED导通。此后，当Vac电压处于回落过程时， C-D2-CRD对LED供电。D2使这两路隔开，相互影响小。

图11中，当交流市电经过全波整流后对滤波电容进行瞬间充电，此时，经过R1的电流会突然陡增，特别是接入的电容值比较大的情况下，瞬间电流过大，相当于市电电压直接接在R1两端，导致R1烧毁。此时TVS的作用是保护R1。

R1与C形成低频滤波器，在对电容C充电的过程中，电源同时也给LED负载供电。从而使供电端在全波段都有负载电流输出，相当于负载端的导通角得到了拓宽，改善cosφ1。从而电压与电流相位差较小。输入端实际测量电流波形如图12所示。

图12 补偿后输入端实际电流波形Fig.12 curve: current characteristic of input after adjusting

使用160颗3.0V/30mA的隆达灯珠、CRD选用型号2DHL060进行实际测试，C的容值不同， PF值不同。结果如表2所示。

对比图10与图12、表1与表2可知，导通角明显得到改善，整体电流变化更加平滑，电路在增加比较低的元件成本情况下，PF值得到明显的提升，印证了电路设计预期。提升后的PF值可以符合绝大多数情况下的供电要求。

表2 对PF值补偿后的电学测量结果Table2 Electrical measurement result after PF adjusting

5 结语

LED照明的功率因数与所选用的LED灯珠的导通角有关，与驱动电路结构性质有关。在LED灯珠已选定的情况下，可以通过驱动电路的改造对PF值进行适当提高。本文从实用工业生产价值出发，舍弃复杂的电路结构，设计出基于CRD驱动LED的电路，改变了传统开关电源驱动LED电路的设计方法，结构简单、成本低廉，满足LED恒流驱动的要求，同时又对较低的功率因数进行合理的补偿校正，减少电网污染[4]。在输出有一个平稳的电压的同时，依赖CRD使电流处于较为理想的恒定状态。解决了传统LED驱动电源成本过高，克服了开关电源的一些性能弱点，适合光电集成，对大功率(大于100W) LED照明，更是有明显的优势。该设计对LED节能灯的普及有着积极的推动作用。

[1] 煜立公司.2DHM/2DHL/2THL系列半导体电流调整管( 恒流管)产品手册[M].2011.

[2] 杨永栋,刘桥,周骅.新型交流LED照明方法[J].照明工程学报,2012，23(5)：85-88.

[3] 周骅，刘桥. 基于恒电流二极管的LED 驱动电路设计[J].贵州大学学报(自然科学版),2011，(6):87-90.

[4] 尹杰，邱云峰，刘桥，王义.基于恒流二极管的小功率LED驱动电路设计[J].井冈山大学学报(自然科学版),2010(5):79-82.