基于IW3623高功率因数LED驱动电源设计

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。

[1] 沙占友,王彦鹏,马洪涛.开关电源优化设计[M].北京:中国电力出版,2012:221-223.

[2] 牛萍娟,付贤松,任梦奇.高功率因数的90WLED路灯驱动电源设计[J].电工技术学报,2014,29(10):200-205.

Niu Pingjuan,Fu Xiansong,Ren Mengqi.Design of high power factor 90W LED street lamp driver[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,29(10),200-205.

[3] Huang Binjuniue,Tang Chunwen,Wu Minsheng.system dynamics model of high-power LED luminaire[J].Applied hermal Engineering.2009(9):609-616.

[4] Shen Xia,Wang Hongchen,Jiang Lin.Design of high- power-factor LED driver power supply based on flyback converter[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(6):140-143.

[5] Wang Qinruo,Li Zhimin,Liu Qingxiang,et al.The design of a high power LED driver power supply without large electrolytic capacitors[J].Semiconductor Optoelectronics,2013.

[6] Shen Xia,Wang Hongchen,Jiang Lin.Design of on flyback converter[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(6):140-143.

[7] Li Y C,Chen C L.A novel single-stage-high-powerfactor AC-to-DC LED driving circuit with leakage inductance energy recycling[J].IEEE Transactions on Industrial Electron,2012,10(6):793-802.

[8] H Wu K I,Yau Y T,Lee L L.Powering LED using high-efficiency SR flyback converter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,2011,19(4):376-386.

[9] 余娇.小功率 LED 日光灯控制器设计[D]:西安.陕西科技大学,2011．

[10] Gu Linlin,Ruan Xinbo,Xu Ming,et al.Means of eliminating elec-trolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED lightings[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(5):1399-1408.