CN102497701A

CN102497701A - 一种用于降低led驱动电路谐波失真的功率因数校正电路

Info

Publication number: CN102497701A
Application number: CN2011103978243A
Authority: CN
Inventors: 姜岩峰; 赵帆
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: North China University of Technology
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明涉及一种用于降低LED驱动电路谐波失真的功率因数校正电路，该在CCM模式下采取平均电流模式，所述电路包括：乘法器；运算放大器；和PFC比较放大器；其中所述电路采用校正的输入电流(Isense)，所述输入电流(Isense)跟随输入电压变化之后所得到的信号作为所述乘法器的一个输入端；所述电路交流电压的线电压(I_AC)经过整流后经由一电阻所得到电流值作为所述乘法器的另一输入端；输入电压的平均值(V_rms)端采用平方器，并使用CCM技术来驱动LED灯。

Description

一种用于降低LED驱动电路谐波失真的功率因数校正电路

技术领域

本发明属于固体照明光源领域，更具体地涉及LED照明光源电路领域。

背景技术

随着能源的不断消耗，节能环保问题成为当今社会可持续发展的一个重要部分，节能减排，环保，使用绿色能源是社会发展的一个重要趋势。LED灯作为第四代照明光源具有长寿命、环保、低功耗、高光效、多光色、可调光、可在安全低电压下工作等诸多优势，逐渐取代荧光灯，白炽灯成为新一代一代照明光源的方向发展。LED的应用从最初的指示灯，到近几年的交通信号、大屏幕显示，目前则越来越多的应用到景观照明、道路照明和隧道照明等功能性照明领域。

从国外来看，美国在LED照明的产业技术开发上一直处于领先地位，是LED技术的领跑者。拥有LED外延片、芯片和相关设备的知识产权和科研开发的技术优势。计划到2012年替代荧光灯，2020年全面进入市场。日本在功率型高亮度LED及其外延片、芯片的研制与产业化开发方面处于国际领先水平，日亚化学掌握大量有关蓝光/白光LED的专利。德国OSRAM公司号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产线，主要用来生产LED。由于OSRAM是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用LED制成新型的节能长寿灯是他们的一个新目标。

从国内来看，在能源形势日益严峻的情况下，加速淘汰白炽灯成为我国的一项重要任务。但LED照明产业在快速发展的同时，依然还存在着缺乏自主研发能力、缺乏行业标准、产品同质化严重、盲目投资等问题。

LED照明灯作为一种新型光源蓬勃发展，但由于是一种新型产业，各项技术指标不成熟，所以国内外LED灯以及其驱动电路没有一个统一标准，这就造成了各个厂商的LED灯的标准不一样。LED灯驱动电路从最初直流DC/DC直到应用到交流AC-DC变化，AC-DC变化的LED驱动电路需要考虑功率因数(PF)的影响。因输入电流如果还有大量谐波，使谐波噪声水平提高，同时在AC-DC整流电路的输入端加滤波器，造成成本、体积重量增加；大量谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染，产生二次效应，因此其功率因数校正对LED灯的效率有着重大影响。但好多厂商为了降低LELD照明灯的价格，省去PFC或者虽然有PFC电路但造成LED灯价格比较昂贵，这对于LED灯的发展前景很不利，所以简单低成本的LED灯是LED照明灯发展的重要方向。

发明内容

本发明提出了一种用于降低LED驱动电路谐波失真的功率因数校正电路，该电路通过使LED工作在CCM模式下并采取平均电流模式，改变以往的乘法器所采用的电压反馈。将输入检测电流作为乘法器的输入信号。采取前馈压反馈，经过乘法器，通过增益放大模块，从而降低了LED驱动电路的谐波失真。

本发明的具体方案包括：一种用于降低LED驱动电路谐波失真的功率因数校正电路，该在CCM模式下采取平均电流模式，所述电路包括：

乘法器；

运算放大器；和

PFC比较放大器；其中

所述电路采用校正的输入电流(Isense)，所述输入电流(Isense)跟随输入电压变化之后所得到的信号作为所述乘法器的一个输入端；

所述电路交流电压的线电压(I_AC)经过整流后经由一电阻所得到电流值作为所述乘法器的另一输入端；

输入电压的平均值(V_rms)端采用平方器，并使用CCM技术来驱动LED灯。

在上述功率因数校正电路中，所述输入电压的平均值(V_rms)为前馈电压信号，当其被前馈到电压回路增益时，该数值提供了一个开回路的修正量，且该值是需要取平方后用来作为乘法器的除数。

在上述功率因数校正电路中，所述运算放大器将所述乘法器的输出信号与所产生的方波信号进行叠加，同时，所述运算放大器的输出端连接到所述PFC比较放大器的输入端(IEAO)进入PWM调制。

在上述功率因数校正电路中，所述PFC比较放大器将所述运算放大器的输出部分与振荡器所产生的三角波进行比较放大以控制开关管的导通与截止，从而控制流过电感上的电流，达到PFC的目的。

附图说明

附图1是LED驱动电路关于PFC的部分原理框图；

附图2是输入电压、电流和输入功率波形图。

具体实施方式

功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。

功率因数的定义：

PF＝P/VI (1)

设AC-DC变流电路的输入电压Vi(有效值V)为正弦，输入电流为非正弦，其有效值为

I = \sqrt{{I_{1}}^{2} + {I_{2}}^{2} + {I_{3}}^{2} + \cdot \cdot \cdot + {I_{n}}^{2} + \cdot \cdot \cdot} - - - (2)

式中，I₁，I₂，...I_n分别为电流基波分量、二次谐波、…n次谐波电流的有效值。

总谐波畸变

THD = I_{h} / I_{1} = \sqrt{({I_{1}}^{2} + {I_{2}}^{2} + {I_{3}}^{2} + \cdot \cdot \cdot + {I_{n}}^{2} + \cdot \cdot \cdot) / {I_{1}}^{2}} - - - (3)

畸变因数

I_{1} / I = 1 / \sqrt{1 + TH D^{2}}

当α＝0时功率因数PF＝I₁/I。

从上式可(1)、(2)可知LED驱动电路功率因数校正(PFC)最主要的是降低THD。

谐波失真反映出功率因数校正电路输入阻抗中非线性成分，任何输入阻抗的变动将会造成输入电流的谐波失真，而此谐波失真也是造成功率因数下降的原因之一。

谐波失真会造成输入电流均方根值的增加，但不会造成输入实功率增加，所以一个非线性负载会造成不好的功率因数。如果非线性的成分较小的话，谐波失真也会相对减小。功率因数校正电路的失真主要有几个原因：前馈信号、反馈闭回路、输出电容、系统电感及输入桥式整流器。降低LED谐波失真可采取可从功率因数校正电路的失真原因入手。

图1所示LED驱动电路关于PFC的部分原理框图，从图中我们可以看出LED驱动电路PFC部分主要由三部分组成：第一部分乘法器1，第二部分运算放大器2，第三部分PFC比较放大器3。

乘法器部分1：乘法器主要由3个输入一个输出组成，A、B、C。

I_sense表示检测电阻R上所流过的电流值，此电流经过积分电路所得平均电流与参考电流I_ref进行比较放大，放大输出信号I_a作为乘法器输入端A的输入信号。乘法器前增益放大器的目的使输入电流能够跟随输入电压变化。

I_AC表示输入交流电压的线电压，经整流后，输出端经由一电阻所得到电流值。将此电流值接到乘法器输入端B，这个电阻的目的是为了追踪输入电压波形，这个外加的电阻，可使电压回路的增益维持在一个定值，没有这个电阻的话，电压回路增益将会是平均输入电压的平方倍。

V_rms表示输入电压的平均值，称之为前馈电压信号，而当它被前馈到电压回路增益时，此数值提供了一个开回路的修正量，且这个值是需要取平方后用来作为乘法器的除数。为了提高功率因数，电流必须紧紧跟随输入电压的变化，如果电压回路频宽太大，将造成输入电流为了维持输出电压为定值而严重失真，所以电压回路的频宽必须小于电源频率。但基于暂态响应特性考虑，电压回路频宽应尽量大一些，所以频宽越接近电源频率越好。而加上平均输入电压的平方的目的是为了保持电压回路增益为定值，不随平均输入电压而改变。

运算放大器2：该运算放大器的作用是将乘法器的输出信号与所产生的方波信号进行叠加，起到软启动的作用。这个运算放大器的输出接到IEAO，连接必要的补偿电路，进入PWM调制。

PFC比较放大器3：将运算放大器的输出部分与振荡器所产生的三角波进行比较放大来控制开关管的导通与截止，从而控制流过电感上的电流，达到PFC的目的。

图2所示经过校正的输入电压和电流波形图，以及输入功率的波形图。

具体工作原理分析如下：

第一部分中增益放大器部分Isense与KI_AC比较放大输出占空比不定的方波信号，作为乘法器的输入信号I_a，乘法器的输出表达式：

I_mo＝K_m·I_a·I_AC/V_rms ² (4)

(其中Vrms跟随输入线电压波形，IAC表示输入线电压波形，Ia增益放大器的输出方波信号，Km表示乘法器的增益系数为常数。)

输出信号波形作为运算放大器模块的一个输入信号，此信号与RT、CT产生的方波信号进行叠加起到软启动的作用，经过运算放大器输出的方波信号跟振荡器产生的谐波信号进行比较输出占空比不同的方波信号控制开关管的导通与截止从而使得输入电流跟随输入电压变化。

乘法器中引入平方器的目的一方面使得电路抗干扰能力强，另一方面使得输入电压变化范围较大时，输出LED灯的亮度基本无变化，稳定了输出电流。

PFC控制回路会将谐波失真与相移等因素引入输入电流波形中，误差来源包括桥式整流器、乘法器以及输出与前馈电压中的涟波等。

在PFC中，有两个调变过程，首先是桥式整流、再则是乘法器内乘法电路、除法电路以及平方电路等的影响。

在PFC中涟波电压都是线电压频率的二次谐波，当这些电压流经乘法器后，所得信号将转换为输入电流，输入电流再流经输入端整流二极管后，二次谐波电压的大小值将产生两种不同频率的成分，这两项成分分别为输入线电压频率的三次谐波成分以及基波成分，且这两个成分对应的电压大小为原来二次谐波电压的一半，相位保持不变。例如，如果涟波电压大小值为输入线电压大小值的10％且相位位移为90度，则输入电流将产生一个相移90度，大小为基波5％的三次谐波，再加上一个相移90度，大小为基本波5％的一次谐波。

前馈电压是将交流的电压整流后所得的电压，有一个二次谐波的成分，大小为平均输入电压大小的66％。一般前馈电压除法器的滤波电容大大衰减了二次谐波，且有效消除了高次谐波，因此前馈输入端仅会存有少量的二次谐波，这个前馈电压会被送到平方电路中，由于此涟波具有相当高的直流成分，因此涟波的大小值会变成2倍。由于除法器对涟波成分没有影响，因此此涟波会直接出现在乘法器的输入端，最后变成输入电流的三次谐波失真和相移。

在控制中对于三次谐波的抑制是控制器的参数设计的关键。以下推到得出3次谐波含量。假设

i_AC＝Icos w₀t (5)

i_a＝I_a+A₁cos(2w₀t+θ) (6)

v_rms＝V_rms+A₂cos(2w₀t+θ₂)(7)

由公式(4)联立(5)、(6)、(7)可得

i_{mo} = \frac{I \cos w_{0} t {[I}_{a} + A_{2} I_{a} \cos (2 w_{0} t + θ_{2})]}{{I_{a}}^{2} {[1 + A_{1} \cos (2 w_{0} t + θ_{1})]}^{2}} &cong; I_{mo} \frac{\cos w_{0} t [1 + A_{2} \cos (2 w_{0} t + θ_{2})]}{1 + 2 A_{1} \cos (2 w_{0} t + θ_{1})}

(A₁＜＜1，I_m＝I·I_a/V_rms ²)

按照泰勒展开得，

i_{m 0} = I_{m} [\cos w_{0} t + \frac{A_{2}}{2} \cos (w_{o} t + θ_{2}) + \frac{A_{2}}{2} \cos (3 w_{o} t + θ_{2}) - A_{1} \cos (w_{0} t + θ_{1}) - A_{1} \cos (3 w_{0} t + θ_{1}) + . . .] - - - (8)

由上式可以看出电流基准信号的含量，即输入电流的谐波含量，如前馈电压V_rms含有1％二次谐波，则电流基准信号即输入电流产生1％的基波和1％的三次谐波；控制电压如含有1％二次纹波，则在输入电流产生的0.5％基波和0.5％三次谐波，其相位均与二次纹波一致。

很明显，前馈的涟波电压必须相当小，这样输入电流的失真才会降低，涟波电压可以利用一个具有单一极点且截止频率非常低的滤波器加以衰减。然后，由于系统也希望能对输入电压的变化有非常快的响应，因此滤波器的响应时间不能太久。所以使用一个折中的办法，使用一个具有双极点的滤波器可以在涟波衰减量相同的前提下提供更快暂态响应时间。双极点滤波器的另一个优点是它的相移量是单极点滤波器的两倍，这将导致二次谐波相移180度，且使得所产生的三次谐波与输入电流的相移量变的与输入电压相同。例如，如果在前馈电压加一个单极点滤波器，大小为前馈输入3％的二次谐波涟波电压其相移量将造成0.97的功率因数；若使用一个双极点滤波器，则在功率因数上不会有任何的相移成分，原因是因为它的输出和输入电流同相位。由前馈输入端二次谐波所造成的输入电流三次谐波成分，其大小值将会与二次谐波涟波电压一样，若在前馈电压中出现3％的二次谐波，则输入电流也将会含有3％的三次谐波失真。

(1)前馈电压低通滤波器采用的是一个二阶阻容滤波器，其响应速度快，增益G_rms＝1.5％/66％＝0.0227，截止频率取20Hz左右。这样可使得输入整流电压66％的二次波含量衰减为1.5％。相角滞后180°。(2)电流误差放大器是采用二极点、一零点的补偿网络，其极点应放在开关频率一半之后，为了消除检测电流信号上的开关纹波，零点应放在十分之一开关频率处；其增益则为低频高增益，这样保证了电流环的响应速度快。通过上面优化设计，控制了电流基准信号的三次谐波总量，使得三次谐波与基波相位一致，与三次谐波相比，五次、七次谐波乃至更高次谐波的含量可以忽略。此外电感值、开关频率的选取对输入电流的谐波含量还有很大的关系，但是不会影响到电流基准信号的谐波含量，只是在电路的设计中给予考虑。

设计补偿回路的技巧在于找出误差放大器中输出涟波电压需要减少的总量，并倒推回增益等于1时的频率。当相位裕度最小时，回路的带宽最高，因此选择45度的相位裕度是一个不错的折中方案，因为这样可以得到不错的回路稳定性与快速的暂态响应，这样设计的电压误差放大器在回路增益等于1的频率之前增益都是平坦的，在此频率之后则呈现单极点的下降斜率。这样的设计可使用一个简单的电路得到线电压频率二次谐波的最大衰减量，并获得最大的带宽和45度的相位裕度。

由于平方器的实现是LED驱动电路恒功率的一个重要关键，对于平方器的要求也比较高，同时为了减小误差采用以上个补偿方法能够将LED驱动电路的谐波失真降到最低，从而提高了LED驱动电路的功率因数，另一方面也提高了LED驱动电路的效率，能够满足LED灯恒电流、恒功率输出。

虽然附图和前述说明给出了本发明的实施例。但可以理解的是，本领域技术人员将理解可以将这种组件中的一个或多个组件很好地组合成单个功能组件。在替换方案中，特定的组件可以分成多个功能组件，或反之。同时，本发明的范围并不受这些特定实例的限制。多种变化都是可能的，例如结构等上的差异，而无论其是否在说明书中被清晰地给出。本发明的范围至少与所附权利要求给出的范围一样宽。

Claims

1.一种用于降低LED驱动电路谐波失真的功率因数校正电路，该在CCM模式下采取平均电流模式，所述电路包括：

乘法器；

运算放大器；和

PFC比较放大器；其中

2.根据权利要求1的功率因数校正电路，其中所述输入电压的平均值(V_rms)为前馈电压信号，当其被前馈到电压回路增益时，该数值提供了一个开回路的修正量，且该值是需要取平方后用来作为乘法器的除数。

3.根据权利要求1或2的功率因数校正电路，其中所述运算放大器将所述乘法器的输出信号与所产生的方波信号进行叠加，同时，所述运算放大器的输出端连接到所述PFC比较放大器的输入端(IEAO)进入PWM调制。

4.根据权利要求1或2的功率因数校正电路，其中所述PFC比较放大器将所述运算放大器的输出部分与振荡器所产生的三角波进行比较放大以控制开关管的导通与截止，从而控制流过电感上的电流，达到PFC的目的。