一种原边控制单级PFC变换器LED驱动电源

摘 要：针对传统Buck-Flyback单级PFC变换器只能采用副边反馈控制方式实现LED恒流，从而导致变换器结构复杂、体积大、成本高的缺点，提出了一种基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源。分析了驱动电源主电路的工作原理和原边控制策略的恒流原理。最后设计了一台输入AC 90~264 V、输出300 mA/12 W的实验样机进行了实验验证。

TN86

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10.16157/j.issn.0258-7998.166960

中文引用格式：张良，阎铁生，王军，等. 一种原边控制单级PFC变换器LED驱动电源[J].电子技术应用，2017，43(11)：136-138，146.

英文引用格式：Zhang Liang，Yan Tiesheng，Wang Jun，et al. A primary side regulation LED driver based on single-stage PFC converter[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：136-138，146.

0 引言

LED因具有光效高、环保、寿命长等优点，已广泛应用于室内、街道、景观照明等领域^[1]。驱动电源是LED照明不可或缺的部分，它是保证LED发光品质和整体性能的关键^[2]。单级功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）变换器因其器件少、成本低，主要应用于中小功率LED驱动电源中，而本文提到的Buck-Flyback单级PFC变换器具有中间电容耐压值较低，开关管电流应力较低的特点，同时又能保证较高的PF值和效率，近年来得到了较多的研究^[3-6]。基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源由于主电路拓扑的限制，只能采用副边反馈对LED负载进行恒流控制，此反馈方式由于副边反馈电路和光电耦合器的存在，使得电源尺寸变大、成本变高。本文提出了一种基于原边控制（Primary Side Regulation，PSR）的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源，同时实现了功率因数校正和对LED的恒流控制，降低了电源体积和成本。

1 基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源

如图1所示为基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源的原理框图。

其中，流过LED的电流经电流采样电阻R₄产生反馈电压v_fb，反馈电压v_fb与参考电压v_ref的差值经过误差放大器得到误差信号v_e，v_e的变化会使经过光耦的电流i_e变化，流过光耦三极管的电流按照一定的传输比跟随i_e变化，使得v_comp改变，控制器根据v_comp的幅值改变驱动脉冲的占空比，从而稳定流过LED的电流。

由于越来越多的照明应用产品对LED驱动电源的高要求以及考虑到副边反馈中光耦存在所带来的劣势，研究基于原边控制技术的驱动电源很有必要^[7]。基于传统Buck-Flyback单级PFC变换器的LED驱动电源由于主电路拓扑的限制，无法完成通过对反激变压器部分原边电感电流的采样来实现对LED的输出恒流控制。基于此，本文有针对性地对传统Buck-Flyback单级PFC变换器主电路拓扑进行改进变换，提出了基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源，如图2所示为其电路原理框图。

图2中，消除了图1电路中的副边反馈电路和光电耦合器，采用原边控制器实现了降低成本、减小电源尺寸的目的。其次，新型Buck-Flyback单级PFC变换器拓扑是在传统Buck-Flyback单级PFC变换器拓扑的基础上进行的针对性改进变换，采样电阻Rcs和A点信号地的有效放置满足了原边控制技术需采样得到原边电感电流的条件，从而实现了对LED的恒流控制。本文所设计电源主电路运行于断续模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，即Buck-Flyback单级PFC变换器前级Buck电路和后级Flyback电路均工作于DCM模式，且在一个开关周期内输入电压近似不变。在半个工频周期内，其工作模态大体可分为四个不同阶段：阶段1、阶段2、阶段3、阶段4，所有工作模态的等效主电路如图3所示。

阶段1：二极管D₅、D₇截止，D₆导通，开关管Q₂导通，输入交流电源通过回路Q₂-D₆-C_b-L_b对电容C_b充电，电感L_b充磁储能。建立起母线电压v_b，建立时间很短。

阶段2：开关管Q₂继续导通，当输入瞬时电压v_ac小于中间电容C_b电压v_b时，整流桥不工作，流过电感L_b的电流为0，D₆、D₇截止，电路等效为Flyback电路。

阶段3：当输入瞬时电压v_ac大于中间电容C_b电压v_b，D₇截止，开关管Q₂工作在[0，t_on]时，对于后级Flyback电路，D₈截止，输出储能电容C₂向负载供电。流过开关管Q₂的最大电流只是Buck级或者Flyback级的最大电流值。当i_b>i_p时，i_b=i_Q2，i_D6=i_b-i_p，D₅截止；而当i_p>i_b时，i_p=i_Q2，i_D5=i_p-i_b，D₆截止。

阶段4：当输入瞬时电压v_ac大于中间电容C_b电压v_b，开关管Q₂工作在[t_on，t_s]时，电感L_b上电流通过D₇续流，D₅、D₆、Q₂都截止，D₈导通，能量传递到输出负载侧。由于L_b与反激级变压器原边电感量L_f的大小不同，此阶段可能存在两种情况：L_b或者L_f两者有一先放电结束。

2 原边控制的恒流原理

根据LED的特性，LED驱动电源需要恒定流过LED的电流。原边控制技术可以在无需副边反馈的情况下恒定输出电流，上节中图2为基于原边控制的LED驱动电源电路原理图。

本文设计的原边控制LED驱动电源电路运行于DCM模式，流过采样电阻R^cs的电流只是Flyback级变压器的原边电感电流，电路中主要信号的原理波形如图4所示。

如图，在t₁时刻，根据功率恒定原则，反激变换器级副边绕组安匝值与原边绕组安匝值应相等，即可得到：

式中：R_cs是原边电感电流检测电阻；v_csp是一个开关周期内电流检测电阻R_cs上的峰值电压。控制器可以控制v_csp和每个开关周期内T_dis/T_s为一恒定值，故由式(4)可知：只要根据电源设计指标设定n_p/n_s及采样电阻R_cs的值，就能恒定控制流过LED的电流。

3 实验

现设计如下LED驱动电源样机进行实验验证。实验电路参数为：输入工频电压有效值为90~264 V；电网频率f_Line=50 Hz；输出LED电流I_o=300 mA；输出电容为两个2 200 μF电容并联，即C₂=4 400 μF。主电路Buck变换级电感L_b感量为0.7 mH；Flyback变换级变压器原边匝数n_p、副边匝数n_s和辅助绕组匝数n_a的关系为n_p:n_s:n_a=45:16:6，原边励磁电感感量为1.75 mH。采样电阻R_cs取值1 Ω。

根据电源的电路参数，在输入全电压范围内，选取典型交流输入电压110 V时进行测试。在此输入电压下的LED电流I_o实验波形和输入电压、输入电流实验波形如图5所示。

从波形可以看出电路正常工作时流过LED的平均电流约为300 mA，电源具有较好的恒流效果，同时由此交流输入电压下的输入电压、输入电流实验波形可以看出输入电流波形跟随输入电压波形并与输入电压同相，电源具有较高的PF值。

4 结论

本文提出了一种基于原边控制的Buck-Flyback单级PFC变换器LED驱动电源，使用原边控制技术消除了传统Buck-Flyback变换器存在控制复杂，尺寸偏大，成本相对较高的缺陷。实验结果表明流过LED的平均电流被稳定在300 mA左右，在全电压范围内保证了LED的发光品质，并且电源获得了较高的功率因数。

参考文献

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