摘要：提出了一种使用市电的大功率ＬＥＤ照明整流电源的电路方案。在Ｍａｔｌａｂ环境下，对该电路进行了辅助分析和仿真实验；完成了５０Ｗ实验装置。实验结果表明，该电源具有较高的功率因数和效率；并且电路简单、可靠，易于调整，适合用于不同的ＬＥＤ特性和连接方式。在Ｍａｔｌａｂ环境下对该电路进行仿真，其结果与在实验装置上的实验结果符合得很好。
关键词：电源；照明；功率因数
１引言
大功率发光二极管（简称ＬＥＤ）的发光效率高，体积小，１０万小时寿命，使用安全，是照明的理想光源。在许多场合，它取代传统光源只是一个时间问题。但是，由于ＬＥＤ的特性，其供电电源的功率因数及效率一直较低，因而成为阻碍ＬＥＤ照明工程化应用推广的一个因素。
２大功率ＬＥＤ的特性
以ＬＬ－ＨＰ６０ＥＷ为例，大功率ＬＥＤ的伏安特性模型可表示为：ＵＦ＝ＵＴ＋ＲｓＩＦ＋ＴＶ（Ｔ－２５）（１）式中ＵＴ———ＬＥＤ的启动电压，ＵＴ＝３．１ＶＲｓ———ＬＥＤ的通态电阻，Ｒｓ＝１．１ΩＴ———环境温度ＴＶ———ＬＥＤ正向电压的温度系数，ＴＶ＝２ｍＶ／℃
由于单个ＬＥＤ的功率较小，一般多个串联使用。用２０个参数一致的ＬＥＤ串联为ＬＥＤ列，其静态电阻为２００Ω，动态电阻为２２Ω。从ＬＥＤ的模型看，在ＬＥＤ正向导通后其正向电压的细小变动将引起ＬＥＤ电流的很大变化，并且环境温度等因素也将影响ＬＥＤ的电气性能。然而，ＬＥＤ的光输出直接与ＬＥＤ的电流相关，所以ＬＥＤ的驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动时应能控制ＬＥＤ电流的大小，否则，ＬＥＤ的光输出将随输入电压和温度等因素的变化而变化，并且，若ＬＥＤ电流失控，ＬＥＤ长期工作在大电流下将影响ＬＥＤ的可靠性和寿命。
由于不可控整流电源没有功率因数校正ＰＦＣ装置，或采用串联电感的无源ＰＦＣ，所以电流的总谐波失真ＴＨＤ较大，功率因数很低，难以满足要求。为此提出了可控整流电源，其主电路拓扑选择能够满足ＬＥＤ负载的电气特性和低成本、高效率的结构。
３整流电路结构与控制原理
图１示出电源主电路原理。它由整流桥、Ｂｏｏｓｔ型ＰＦＣ电路、Ｂｕｃｋ型ＰＷＭ直流变换电路、负载和检测环节组成。
当功率ＭＯＳＦＥＴ管ＶＱ１触发导通时，由电源电压ｕＳ，ＶＱ１、电感ＬＢＳＴ形成回路，向ＬＢＳＴ充电储能，ＶＤ１截止；当ＶＱ１截止时，ｕＳ，ＬＢＳＴ，ＶＤ１、滤波电容ＣＢＳＴ形成回路，ＬＢＳＴ储能向ＣＢＳＴ释放，并向Ｂｕｃｋ电路供电。当ＶＱ２触发导通时，ＣＢＳＴ通过ＶＱ２、电感ＬＢＫ形成回路，向ＬＢＫ充电储能，并向ＬＥＤ负载供电，ＶＤ２截止；当ＶＱ截止时，ＬＢＫ通过ＶＤ２形成回路，向ＬＥＤ负载供电。
ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路工作于电流连续模式（ＣＣＭ），并采用后沿调制；后级ＰＷＭ电路采用前沿调制，且ＰＦＣ电路与ＰＷＭ电路同步驱动，以降低谐波电流。
将整流后的ｕＳ在电位器ＲＰｕ上分压成ｕｕ和将ＰＦＣ的输出电压在ＲＰＦＣ上分压成ｕＰＦＣ作为参考输入。将电流ｉ流经电阻Ｒｉ产生的电压ｕｉ作为第一个受控量；将流过负载ＬＥＤ的电流ｉＤ在小分压电阻ＲＤ上分压成ｕＤ作为第二个受控量。控制目标是，让ｕｉ跟踪ｕｕ；让ｕＤ维持在期望电压ｕＤ＊，即ＬＥＤ的工作点电流。虽然功率ＭＯＳＦＥＴ是通断工作的，但因采用了电感的ＣＣＭ工作方式，因而易于滤除它们所含的谐波。
由滤波后的ｕｕ，及将ｕｕ经过有效值计算所得的ＵＲＭＳ和由ＰＦＣ输出的直流电压ＵＰＦＣ经过滤波放大所得的ＵＰＦＣ＊进行运算，即调制增益Ｇｍ，得到输入电流的参考输入为：
ｕｒ＝ｕｕＵＰＦＣ＊ＵＲＭＳ２（２）
这样可克服输入电压大范围波动的影响。ｕｒ与ｕｉ比较之偏差经过误差控制器的ＧＶＥＣ，与锯齿载波信号比较、整形，成为ＰＷＭ驱动脉冲输出，经驱动后控制ＶＱ１。图２ａ示出ＰＦＣ的控制原理。由于采用了闭环控制，将变换器的实际电流通过反馈网络引入电流误差放大器，保证了变换器的输入电流能够准确地跟踪输入电压。经过乘法器运算所规定的电流值，也就是使实际的交流输入电流跟踪交流输入电压。这样从电源输入端来看，输入电压与输入电流具有相同的波形，只是差一个倍数，即电阻，从而实现了功率因数校正的功能。图２ｂ示出ＰＷＭ的控制原理。ＲＤ上的期望电压ｕＤ＊与实际电压ｕＤ的偏差经过控制器ＧＩＥＣ，与锯齿载波信号比较、整形，来驱动ＶＱ２，以满足ＬＥＤ的工作电流。图２ａ与２ｂ中的锯齿波同源。
４参数计算和器件选择
根据电磁兼容要求，选择ＡＣ／ＤＣ变换ＰＦＣ频率ＰＦＣ＝５０ｋＨｚ；选择ＤＣ／ＤＣ变换ＰＷＭ频率ｆＰＷＭ＝５０ｋＨｚ。两级变换的电压波纹系数均为ｒ＝１％，负载电阻Ｒ＝２００Ω。当Ｂｕｃｋ变换电路工作于电流断续的临界状态时，Ｂｕｃｋ电路的电感最小，为ＬｍｉｎＢＫ＝（１－Ｄ）Ｒ／２ｆ。由于（１－Ｄ）最大取１，则为了使电流连续，取Ｂｕｃｋ电路的电感ＬＢＫ为ＬｍｉｎＢＫ值的５倍，因而ＬＢＫ＝１０ｍＨ。由波纹系数ｒ＝（１－Ｄ）／（８ＬＣｆ２）得Ｃ＝（１－Ｄ）／（８ｒＬｆ２），ＣＢＫ＝５ｎＦ，取２μＦ。
Ｂｕｃｋ电路的负载电阻Ｒ等效到Ｂｏｏｓｔ的输出端为Ｒ′，则Ｒ′＝Ｒ／Ｄ２，取Ｒ′＝１ｋΩ。当ＡＣ／ＤＣ变换电路工作于电流断续的临界状态时，电感最小为ＬｍｉｎＢＳＴ＝Ｄ（１－Ｄ）２Ｒ!"′／２ｆ。由于Ｄ（１－Ｄ）２在Ｄ＝０．３３时，取最大值０．１４８，为使电流连续，Ｂｏｏｓｔ电路的电感ＬＢＳＴ为ＬｍｉｎＢＳＴ值的５倍，取ＬＢＳＴ＝１０ｍＨ。电容ＣＢｏｏｓｔ＝Ｄ／（ｒＲｆ），Ｄ最大为１，取ＣＢＳＴ＝２μＦ。
５仿真及实验
采用Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台和Ｓｉｍｐｏｗｅｒｓｙｓ－ｔｅｍｓ库，建立了图３所示的电路仿真模型。图中虚线以上为主电路，以下为控制电路。取功率ＭＯＳＦＥＴ导通电阻Ｒｏｎ＝０．８Ω，连续导通电流ＩＤ＝８．０Ａ。滤波器按Ｆ１滤掉１００Ｈｚ以上谐波；Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４滤掉５０ｋＨｚ及以上谐波为原则确定。Ｕ１￣Ｕ２为电压测量；Ｉ１￣Ｉ３为电流测量。
图４ａ示出电流给定ｕｒ、电流反馈ｕｉ（已滤波），及偏差ｕｒ－ｕｉ的仿真波形。由图可见，电路启动０．００６３ｓ后，输入电流波形已跟踪到电压波形，误差维持在较小水平；图４ｂ示出反馈电流ｕｉ（未滤波）的仿真波形。图４ｃ示出交流输入电流ｉａｃ的仿真波形。进一步分析ｉａｃ波形，对进入稳态后一个周期的ｉａｃ进行傅里叶分析，图４ｄ示出得到的幅度谱图。根据傅里叶分析的结果计算总谐波失真系数ＴＨＤ与功率因数λ分别为：
ＴＨＤ＝∞ｎ＝２#Ｉｎ２$／Ｉ１＝０．０８２３（３）
λ＝Ｉ１ＩＲＭＳｃｏｓφ＝０．９７７（４）
由此结果可见，ＴＨＤ＝８．２３％，λ＝０．９７７，效率η＝９６．３％。
在仿真研究的基础上，以ＭＬ４８２４－１芯片为核心搭建了实验电路进行验证。在输入交流电压分别为８０Ｖ，１１０Ｖ，２２０Ｖ，２６０Ｖ的条件下，流过ＬＥＤ的电流为３５０±２３ｍＡ，与仿真符合得很好。
图５ａ示出实测的λ和η的关系曲线。可见，λ均优于９６％；η均优于８２％。图５ｂ示出输入电压ｕｉｎ＝２２０Ｖ时，输入电流ｉｉｎ的实验波形。可见，电流较好地跟踪了电压波形，且电路性能符合ＩＥＣ５５５２２标准，并满足ＬＥＤ工作电流为３５０±１５０ｍＡ的技术要求。
６结论
分析了ＬＥＤ的特性，给出了市电供电条件下的电源方案和工作原理，进行了主要元件参数的选择计算；并在Ｍａｔｌａｂ环境下进行了仿真，为电路设计提供了良好指导。实验结果表明，提出的方案具有较高的功率因数和较高的效率。该装置已试用于某立体仓库照明工程中。今后还需优化电路性能，降低成本，以满足产品工程化广泛应用的要求。