一種基于SEPIC架構(gòu)的新型LED照明調(diào)光電路

　　1、引言

　　由于全球能源緊缺，節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展逐漸成為人們熱衷的話題。led具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快等特點，逐漸替代了白熾燈。很多場合都需要使用調(diào)光技術(shù)，如汽車尾燈、建筑照明等，隨著led的普遍使用，對led調(diào)光應(yīng)用的需求也逐漸增加。目前，led調(diào)光技術(shù)主要分為三種：線性調(diào)光、可控硅調(diào)光、ＰＷＭ調(diào)光。線性調(diào)光運用分壓原理，應(yīng)用比較簡單，但是分壓會產(chǎn)生過多的熱量，導(dǎo)致效率低下；可控硅調(diào)光運用導(dǎo)通角切波原理，效率較高、性能穩(wěn)定，但是不同可控硅維持的電流不同，可能會造成閃爍，不能直接應(yīng)用于led，需要改進(jìn)調(diào)試；ＰＷＭ調(diào)光通過改變驅(qū)動芯片的占空比實現(xiàn)調(diào)光，應(yīng)用簡單、效率高，但是容易產(chǎn)生人耳可聽見的噪聲，是目前被廣泛使用的一種方法。

　　本文提出一種新型調(diào)光方法———功率因數(shù)（PE）調(diào)光法。在實際應(yīng)用的大多數(shù)場合中，電路并不是持續(xù)滿載運行，功率因數(shù)不能一直保持在０．９以上，當(dāng)電路由滿載向輕載、重載變化，或輸入電壓波動時，都會造成功率因數(shù)的下降。事實上，在實際應(yīng)用中，功率因數(shù)的變化范圍比較大。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，電路的功率因數(shù)在0.7-1的范圍內(nèi)變化都是符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。本文提出的功率因數(shù)調(diào)光法將電路功率因數(shù)的變化范圍控制在0.7-1，使led照明電路的輸出電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

　　文章第２節(jié)介紹了基于SEPIC結(jié)構(gòu)的led照明調(diào)光電路的原理，闡述了功率因數(shù)對輸出電流的影響；第3節(jié)通過外接可調(diào)電阻實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)光，分析了可調(diào)電阻與輸出電流的關(guān)系；第4節(jié)給出實際驗證結(jié)果，并進(jìn)行了分析；第５節(jié)給出結(jié)論。

　　2、基于SEPIC架構(gòu)的可調(diào)光電路

　　Boost結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正電路，其輸出直流電壓必須高于輸入線峰值電壓（至少４００Ｖ以上），且難以實現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離；Flyback結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正電路，其輸入電流不連續(xù)，往往需要大體積的輸入濾波器。與Boost，F(xiàn)lyback等典型結(jié)構(gòu)相比，SEPIC架構(gòu)在AC_DC降壓電路應(yīng)用中有著其獨特的優(yōu)勢：SEPIC架構(gòu)輸入級類似于Boost架構(gòu)，可以保證輸入電流的連續(xù)性，由于輸入電流畸變小，小體積的ＥＭＩ濾波器便可滿足要求，既節(jié)省面積又降低了成本；輸出級類似于Flyback結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)電氣隔離，可以在開關(guān)短路時保護(hù)負(fù)載。因此，將SEPIC架構(gòu)應(yīng)用于AC_DC變換的功率因數(shù)校正電路是最好的選擇之一。此外，SEPIC架構(gòu)的臨界導(dǎo)通模式具有功率因數(shù)高、功率開關(guān)管零電流導(dǎo)通、功率二極管的損耗小、控制電路簡單等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于中小功率開關(guān)電源。考慮到SEPIC架構(gòu)在小功率AC_DC變換應(yīng)用

　　中具有實現(xiàn)簡單、功率因數(shù)高、成本低等優(yōu)點，以及臨界導(dǎo)通模式在中小功率開關(guān)電源中的優(yōu)勢，本文電路采用SEPIC架構(gòu)實現(xiàn)，工作在臨界導(dǎo)通模式。通過控制電路功率因數(shù)大小，得到隨功率因數(shù)值變化的輸出電流，實現(xiàn)ＬＥＤ的可調(diào)光。

　　用于功率因數(shù)校正（PFC）電路的傳統(tǒng)SEPIC架構(gòu)如圖１所示

　　電路工作原理為：當(dāng)開關(guān)Ｓ導(dǎo)通時，輸入電源對L1充電，L1的電流線性增加，CS把儲存的能量傳遞給L2，L2的電流增加，二極管Ｄ截止，COUT為輸出負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)Ｓ斷開時，L1對CS充電，并為負(fù)載提供能量，二極管Ｄ導(dǎo)通，L2向負(fù)載提供能量，并對COUT充電。輸出經(jīng)過采樣電阻Ｒ１和Ｒ２分壓后，作為PFC內(nèi)部誤差放大器的反向輸入信號與內(nèi)部參考電壓Ｕｒｅｆ比較后，作為乘法器的輸入信號之一，而乘法器的另一個輸入信號是輸入電流采樣信號，二者共同輸入乘法器運算后輸出，再由PFC內(nèi)部電路調(diào)整后驅(qū)動控制開關(guān)管Ｓ的導(dǎo)通與斷開，實現(xiàn)對電路功率因數(shù)的校正。

　　對于用電設(shè)備，功率因數(shù)直接影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和電能損耗。理論上，功率因數(shù)是有功功率Ｐ與視在功率Ｓ的比值，即：

　　從（２）式可以看出，功率因數(shù)主要由兩個因素決定：１）交流輸入的基波電流和基波電壓的相位差；２）總諧波失真系數(shù)ＴＨＤ。ｃｏｓφ低，表明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，設(shè)備的利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大；ＴＨＤ高，表明輸入電流諧波分量大，將造成輸入電流波形畸變，對電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時將導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　根據(jù)（２）式，在總諧波失真保持不變的情況下，通過改變基波電壓和基波電流的相位差φ，即可改變功率因數(shù)。因此，在保證不帶來更多高次諧波、不改變總諧波失真的前提下，可以通過“干擾”PFC芯片內(nèi)部的運算結(jié)果，實現(xiàn)對電路功率因數(shù)的改變。

　　考慮到同相比例運算放大器具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點，在PFC芯片內(nèi)部增加一個同相比例運算放大電路，作為輸入到乘法器的第三個變量，用來改變PFC芯片的運算結(jié)果。此外，由于放大器工作頻率太低，響應(yīng)速度跟不上，而頻率太高又會為系統(tǒng)引入高次諧波分量，故將運算放大器的工作頻率范圍設(shè)定為５０Ｈｚ。該運算放大器可以將輸入的變化反映到輸出中，同時，實現(xiàn)了輸入輸出的隔

　　離，在一定程度上降低了引入高次諧波的風(fēng)險，即維持總諧波失真不變。

　　在傳統(tǒng)SEPIC架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的SEPIC方案，主要運用于AC_DC變換器的PFC電路。電路結(jié)構(gòu)如圖２所示，其中虛線部分為改進(jìn)結(jié)構(gòu)。Ｒｓ是可調(diào)電阻，為了調(diào)試的方便，將其置于PFC芯片外部。通過調(diào)節(jié)Ｒｓ的阻值，改變乘法器的輸入，從而改變PFC的運算結(jié)果，得到所需的電路功率因數(shù)值。

　　設(shè)定改進(jìn)的SEPIC電路工作在臨界導(dǎo)通模式下，L1＝L2，且初始儲能為０，電感電流波形如圖3所示。

　　其中，UI為交流輸入視在功率，PF為電路的功率因數(shù)，DT為一周期內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通時間。當(dāng)PFC調(diào)節(jié)模塊使功率因數(shù)PE值從０．７到１變化時（國際標(biāo)準(zhǔn)要求PE值不得低于０．７，故本文選定這個變化范圍），占空比Ｄ從0.1到0.9變化，輸出電流Iout隨PE的變化情況如圖４所示。橫坐標(biāo)對應(yīng)功率因數(shù)PE，縱坐標(biāo)對應(yīng)輸出電流Iout，從下到上依次為占空比Ｄ從0.1到0.9逐漸遞增所對應(yīng)的輸出電流隨PE的變化。從圖４可以看出，當(dāng)PE從０．７增大到１時，電路的輸出電流Iout呈線性上升趨勢，且占空比越大，輸出電流Iout越大，電流變化范圍也越寬。由此看出，可以通過改變功率因數(shù)PE來實現(xiàn)對輸出電流Iout的控制。

　　3、外接可調(diào)電阻實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)光

　　誤差放大器的輸出UEO和運算放大器的輸出URO經(jīng)過加法器運算后，作為乘法器的一個輸入端ＵＭ２，即：

　　其中，ａ，ｂ，ｋ都是常數(shù)。

　　圖５所示為運算放大器中可調(diào)電阻Ｒｓ與功率因數(shù)PE的關(guān)系，橫坐標(biāo)對應(yīng)外接可調(diào)電阻Ｒｓ，縱坐標(biāo)對應(yīng)功率因數(shù)PE?？烧{(diào)電阻Ｒｓ的變化范圍為１５４Ω～１４4.5ｋΩ。從圖５可以看出，隨著可調(diào)電阻Ｒｓ的改變，PE變化呈線性上升趨勢。

　　圖６所示為輸出電流Iout隨PE和Ｒｓ的變化情況。橫坐標(biāo)對應(yīng)輸出電流Iout，縱坐標(biāo)分別對應(yīng)功率因數(shù)PE和外接可調(diào)電阻Ｒｓ。通過調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以改變輸出電流。而調(diào)節(jié)外接可調(diào)電阻Ｒｓ的值，即可獲得不同的輸出電流Iout。由圖６可以看出，隨著輸出電流Iout的增大，電路功率因數(shù)PE和可調(diào)電阻Ｒｓ也隨之增大，且基本趨于線性。

　　4、電路驗證與分析

　　根據(jù)本文設(shè)計電路，繪制并制作PCB驗證板進(jìn)行實驗測試。通過調(diào)節(jié)外接可調(diào)電阻Ｒｓ來調(diào)節(jié)電路的功率因數(shù)，觀察輸出電流的變化，并與理論值進(jìn)行對比。選取PFC升壓電感為15ｍＨ，電容CS為１μＨ，LED燈串（１Ｗ／顆）作為電路負(fù)載，輸入電壓為220Ｖ，輸入電流為０．０２９００Ａ，功率為６．４3０Ｗ，儀器掃描范圍為3８０．０～８００．０ｎｍ，掃描間隔為５．０ｎｍ，參考通道為ＲＥＦ＝９０９５（Ｒ＝3），最大波動為－０．４７８％。測得光通量為４１２．４3ｌｍ，輻射通量為1.2487，光效為64.14ｍ／Ｗ。

　　圖７所示為電路板實測值與理論值的對比，其中實線為理論值數(shù)據(jù)，虛線為實際測試結(jié)果。

　　從圖７可以看出，以實測數(shù)據(jù)點為依據(jù)擬合的曲線與理論推導(dǎo)的線性趨勢基本吻合。當(dāng)占空比逐漸增大時，得到的實測數(shù)據(jù)線更接近理論數(shù)據(jù)線；當(dāng)占空比很小時，受寄生電感、電容和一些寄生效應(yīng)等因素的影響，電路可能會變得略微敏感，測試數(shù)據(jù)線與理論數(shù)據(jù)線有一定的偏差，但還是在預(yù)期范圍內(nèi)，且變化的基本趨勢是符合理論推導(dǎo)的。

　　采用CSCO.5μｍ40VBCD工藝設(shè)計驅(qū)動芯片，通過PCB板驗證了功率因數(shù)調(diào)光法的可行性。對電路板的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，隨著輸出電流的增大，電路的轉(zhuǎn)換效率呈下降趨勢，也就是說，增加電路功率因數(shù)是以犧牲電路轉(zhuǎn)換效率為代價的，但電路的整體轉(zhuǎn)換效率維持在92.7以上，最高可達(dá)到９４％以上，符合預(yù)期目標(biāo)。

　　驅(qū)動芯片的版圖如圖9所示。在布局時，應(yīng)注意差分對的十字中心對稱原則，以增強其匹配性，減小由于工藝原因而造成的失配誤差。此外，電阻、電容等匹配問題也不容忽視。

　　5、結(jié)論

　　本文提出了一種基于CSCO.5μｍ40VBCD工藝的新型調(diào)光方案，結(jié)合SEPIC架構(gòu)搭建外圍電路，可直接通過調(diào)節(jié)外部可調(diào)電阻來改變電路的功率因數(shù)，獲得不同的輸出驅(qū)動電流，從而實現(xiàn)LED照明燈的調(diào)光。該結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)、可控性高，通過選擇可調(diào)電阻阻值，可獲得較大的調(diào)光范圍，且成本低廉，具有很高的實用價值。