基于Sepic電路的工業(yè)照明設(shè)備節(jié)能電源設(shè)計 - 全文

當(dāng)前，照明約占世界總能耗的20%左右。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅LED路燈節(jié)能一項，每年就能為中國節(jié)省約一座三峽大壩所發(fā)的電力。正是由于LED照明所具有的節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢，近年來，其全球產(chǎn)值年增長率保持在20%以上，中國也先后啟動了綠色照明工程、半導(dǎo)體照明工程、“十城萬盞”計劃等推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。得益于LED技術(shù)的快速發(fā)展，各路資本積極介入投資LED產(chǎn)業(yè)，投資規(guī)模增長迅速，資料顯示，LED光源市場到2015年預(yù)計可達(dá)到500億元。LED燈的光輸出效率在過去20里提高了近20倍，成本在過去10年間下降了90%，且性價比在不斷提高，LED照明技術(shù)很有發(fā)展前途。

功率因數(shù)校正

功率因數(shù)（PF）的定義

功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值

即：

由此可見，功率因數(shù)（PF）由γ（輸入電流的波形畸變因數(shù)）cos準(zhǔn)（基波電壓和基波電流的位移因數(shù)）決定。

功率因數(shù)校正的分類

功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于1。交流輸入電源經(jīng)整流和濾波后，非線性負(fù)載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數(shù)很低。

功率因數(shù)校正技術(shù)主要分為無源功率因數(shù)校正（PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）［3］。無源校正電路，通常由大容量的電感、電容組成。加LC無源濾波器在AC/DC整流電路的輸入端，是對電網(wǎng)實(shí)施補(bǔ)償?shù)谋粍臃椒āＳ性垂β室驍?shù)校正技術(shù)是對電力電子設(shè)備進(jìn)行自行改進(jìn)的主動方法，它是對AC/DC整流電路內(nèi)部進(jìn)行功率因數(shù)校正，從而使電路盡可能不產(chǎn)生諧波，而且輸入電壓和電流同相位。有源功率因數(shù)校正技術(shù)，在整流器和負(fù)載之間接入一個DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流波形接近正弦，使功率因數(shù)提高到0.99以上。

基于 Sepic 電路的節(jié)能電源設(shè)計

Sepic

SEPIC（single ended primary inductor converter）是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DCDC變換器。輸出電壓由主控開關(guān)（三極管或MOS管）的占空比控制。

這種電路最大的好處是輸入輸出同極性。尤其適合于電池供電的應(yīng)用場合，允許電池電壓高于或者小于所需要的輸入電壓。比如一塊鋰電池的電壓為3V~4.2V，如果負(fù)載需要3.3V，那么SEPIC電路可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

另外一個好處是輸入輸出的隔離，通過主回路上的電容C1實(shí)現(xiàn)。同時具備完全關(guān)斷功能，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，輸出電壓為0V。

電路結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)分析

圖1 SEPIC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 Q1斷開時工作狀態(tài)（狀態(tài)1）

圖3 Q1導(dǎo)通時工作狀態(tài)（狀態(tài)2）

圖1為SEPIC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為MOS管Q1斷開時電路的工作的工作狀態(tài)，電容Cs處于充電狀態(tài)，電感L1和L2處于放電狀態(tài)。圖3為MOS管Q2導(dǎo)通時電路的工作狀態(tài)，電容Cs處于放電狀態(tài)，電源給L1充電，電容Cs給電感L2充電。圖2和圖3電路中的電流流向如圖中箭頭所示。

有源功率因數(shù)校正（APFC）是抑制電流諧波，提高功率因數(shù)最有效的方法，其原理框圖如1所示。其基本思想是：交流輸入電壓經(jīng)全波整流后，對所得的全波整流電壓進(jìn)行DC/DC變換，并通過適當(dāng)控制使輸入電流自動跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時保持輸出電壓穩(wěn)定。該電路有兩個反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使DC/DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環(huán)也為電流環(huán)，使DC/DC變換器輸出恒定的電流。

主電路原理及分析

對主電路進(jìn)行詳細(xì)劃分，可分為兩部分，前一部分為橋式整流電路，后一部分為Sepic拓?fù)潆娐?，如圖2所示。橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?個二極管分為兩組，根據(jù)輸入電壓的極性分別導(dǎo)通，使負(fù)載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓；Sepic電路是由兩個電容、兩個電感以及一個開關(guān)管和二極管組成，單獨(dú)的Sepic電路只須工作在電流斷續(xù)狀態(tài)就能自然實(shí)現(xiàn)PFC。

交流市電經(jīng)全橋整流之后，送入隔離型Sepic電路。隔離型Sepic電路的母線電壓以半個工頻周期波動，當(dāng)Sepic電路處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，其開關(guān)管的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母線電壓脈動周期，因此在一個開關(guān)周期內(nèi)，可以近似的認(rèn)為母線電壓是一個恒定的電壓。

控制電路原理及分析

當(dāng)LED處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，其兩端的電壓降是恒定的，流過LED的電流也是恒定的。根據(jù)LED的工作特性可以知道，加在LED兩端的電壓即使出現(xiàn)極小的波動，也會使得LED工作狀態(tài)發(fā)生改變，如果電壓波動過大，甚至?xí)p毀LED器件。LED的發(fā)光強(qiáng)度由驅(qū)動電流決定，電流過大會影響LED使用壽命，而電流過小則會影響LED發(fā)光亮度。因此LED驅(qū)動電源多采用恒流輸出方式，并對輸出電壓進(jìn)行控制，從而保證LED工作穩(wěn)定；同時為了滿足對LED驅(qū)動電源功率因數(shù)的要求，還要具有功率因數(shù)校正功能。

電流內(nèi)環(huán)控制電路原理及分析

交流側(cè)電源ui經(jīng)全橋整流，輸出電壓u，其波形呈正弦波全橋整流后波形，如圖3中（b）所示。將電壓u，經(jīng)過降壓處理得到的一個合適的信號u‘i。將指令信號u’i，加在滯環(huán)比較器的同相端，作為基準(zhǔn)信號。在全橋整流后回路中，串入一個檢流電阻R，由歐姆定理可以知道，檢流電阻R兩端的電壓信號uR與流過檢流電阻的電流iR成比例關(guān)系。通過檢測檢流電阻兩端的電壓信號uR，得到反饋信號u‘R（在電流截止負(fù)反饋不起作用的情況下），如圖3中（a）所示，將得到的反饋信號u’R加在滯環(huán)比較器的反相端，作為比較信號。

當(dāng)反饋信號u‘R增大至指令信號u’i的上閾值時，滯環(huán)比較器輸出端輸出低電平，控制開關(guān)管關(guān)斷，使得回路中電流iR減小，u‘R相應(yīng)減小；當(dāng)反饋信號u’R減小至指令信號u‘i的下閾值時，滯環(huán)比較器輸出端輸出高電平，控制開關(guān)開通，使得輸入回路中電流iR增大，u’R也相應(yīng)增大［5］。依次循環(huán)往復(fù)，從而達(dá)到u‘R跟蹤u’i目的，使得輸入電流波形趨于正弦波，如圖3（a）中所示。

通過上面的分析可以知道，指令信號u‘i是輸入電壓ui經(jīng)全橋整流之后，再經(jīng)降壓處理得到，其波形為正弦波全橋整流后波形，u’R時刻跟蹤u‘i的波形變化，從而使得u’R的波形也呈現(xiàn)為正弦波全橋整流后波形，反饋信號u‘R是通過檢測檢流電阻兩端電壓信號uR得到的，uR與回路中的電流iR成比例關(guān)系，因此可知輸入電流ii也是一個與電源電壓ui同相位的正弦波，從而達(dá)到了功率因數(shù)矯正的目的。

電流外環(huán)控制電路原理及分析

輸出回路中采用2個TL431使回路電流恒定，其中一個的作用是提供給另一個基準(zhǔn)電壓，回路在電流小于額定電流，也即沒達(dá)過流保護(hù)時，是不動作的，電路處于開環(huán)工作狀態(tài)。；當(dāng)檢流電阻的電流超過額定電流時，檢流電阻上的電壓升高，通過TL431使其陰極輸出電壓減小，經(jīng)過光電耦合反饋到電流內(nèi)環(huán)控制電路中。內(nèi)環(huán)控制的調(diào)節(jié)使主電路電流減小，從而使檢流電阻上的電壓減小，輸出電流恒定。

驅(qū)動電路原理

MOSFET 驅(qū)動電路如圖 4 所示。

由于比較器輸出為OC輸出（即集電極開路），所以必須加上上拉電阻才可以使用［6］。當(dāng)輸出為高電平時，由于上拉電阻的作用使得三極管的基極電壓被提高，三極管導(dǎo)通，對基極信號進(jìn)行放大；放大的電流信號迅速給柵源之間的寄生電容充電，當(dāng)寄生電容兩端電壓達(dá)到達(dá)到一定的數(shù)值時開關(guān)導(dǎo)通。

當(dāng)輸出電壓是低電平時，開關(guān)管中寄生電容提供電壓使二極管導(dǎo)通，從而使三極管的集電結(jié)反偏，這樣三極管將處于截止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)管的寄生電容同時通過二極管D1放電，直到寄生電容的電壓低于開關(guān)的導(dǎo)通電壓，開關(guān)管關(guān)斷。

MOS管驅(qū)動電阻大，可以降低MOS開關(guān)的時候的電壓電流的變化率。比較慢的開關(guān)速度，對EMI有好處，但是開關(guān)損耗增大。

MOS管驅(qū)動電阻小，提高M(jìn)OS開關(guān)時候的電壓電流變化率，可以獲得比較快的開關(guān)速度。

開關(guān)電源中，功耗的考慮很重要，所以為了獲得較快的開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗，我們不加驅(qū)動電阻。

系統(tǒng)仿真及波形分析

根據(jù)系統(tǒng)原理在Multisim11.0仿真平臺上搭建電路，仿真結(jié)果如圖5所示。其中，Ui為輸入電流在檢流電阻上產(chǎn)生的電壓波形，Ii為經(jīng)過橋式整流后的電壓波形，UQ1為開關(guān)管兩端的電壓波形。單相橋式整流電路在開關(guān)電源中應(yīng)用十分普遍，但采用大電容濾波時，輸人電流波形為一串串窄脈沖，含有大量諧波，電路輸人功率因數(shù)很低，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染。由圖5可知，功率因數(shù)矯正前由于輸出端加電容濾波，所以只有當(dāng)電容兩端電壓低于輸入電壓時才有充電電流流過，以至于在電源端產(chǎn)生尖峰充電電流，此電流即為諧波源，對電網(wǎng)環(huán)境造成污染。電流內(nèi)環(huán)控制電路開始工作后，輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)得到很大提升。

通過對Sepic拓?fù)涞腖ED驅(qū)動電源進(jìn)行的設(shè)計和仿真，證明基于滯環(huán)電流控制的APFC［7］電路可減小輸入諧波電流對交流電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)。在輸出用外環(huán)電流截至負(fù)反饋控制，使得輸出電流穩(wěn)定在設(shè)計的范圍內(nèi)。提高功率因數(shù)是當(dāng)今國內(nèi)外研究的重要課題，把PFC技術(shù)應(yīng)用到新型電源中成為新一代電源的標(biāo)志之一。