LED驅動電源的單極PFC反激式開關電源方案

2020-11-23 電子產品世界

LED驅動電源要求在5W以上的產品都要求高功率因素，低諧波，高效率，但是因為又有體積和成本的考量，傳統的PFC+PWM的方式電路複雜，成本高昂，因此在小功率(65W左右)的應用場合一般會選用單極PFC的方式應用，特別是在T5,T8等LED驅動電源得到廣泛的應用，並成為目前的主流應用方案。目前市面上的PFC有很多，下面以市面上得到廣泛應用的LD7591及其升級版本LD7830,主要用LD7830來做說明介紹。

一、介紹：

LD7830是一款具有功率因素校正功能的LED驅動晶片，它通過電壓模式控制來穩定輸出且實現高功率因素(PF)與低總諧波失真(THD)特性。LD7830能在寬輸入電壓範圍內應用，且保持極低的總諧波失真。LD7830具備豐富的保護功能，如輸出過壓保護(OVP)，輸出短路保護(SCP)，晶片內置過溫保護(OTP)，Vcc過壓保護，開環保護等保護功能令LED驅動電源系統工作起來更加安全可靠。LD7830在LD7591的基礎上增加了高壓啟動，OLP保護功能和軟啟動功能，使系統的待機功耗更低至0.3W以下，同時短路保護更加可靠。

二、LD7830特點：

內置500V高壓啟動電路

高PFC功能控制器

高效過渡模式控制

寬範圍UVLO(16V開，7.5V關)

最大250KHZ工作頻率

內置VCC過壓保護

內置過載保護(OLP)功能

過電流保護(OCP)功能

500/-800mA驅動能力

內置8ms軟啟動

內置過溫保護(OTP)保護

三應用範圍：

AC/DCLED照明驅動應用

65W以下適配器

四、典型應用


圖一

五、系統設計

LD7830的典型應用為反激拓撲結構，如圖一所示。

5.1我們首先介紹LD7830的反激工作原理，假設交流輸入電壓波形是理想正弦波，整流橋也是理想的，則整流後輸入電壓瞬時值Vin(t)可表示為：

其中VPK為交流輸入電壓峰值，VPK=√2×VRMS,Vrms為交流輸入電壓有效值，FL為交流輸入電壓頻率。再假定在半個交流輸入電壓周期內LD7830誤差放大器的輸出VCOMP為一恆定值，則初級電感電流峰值瞬時值IPKP(t)為：

其中IPKP為相對於輸入電壓初級電感電流峰值的最大值。

在反激電路中，當MOSFET導通時，輸入電壓Vin(t)對電感充電，同時輸出電容對負載放電，初級電感電流從零開始上升，令θ=2×π×FL×t：

Ton為MOSFET導通時間，Lp為初級電感量，由上式可見，TON與相位無關。

假設變壓器的效率為1且繞組間完全耦合，當MOSFET關斷時，次級電感對輸出電容充電和對負載放電，則：

其中，TOFF為MOSFET關斷時間，IPKS(θ)為次級峰值電流瞬時值，Ls為次級電感量，Vout為輸出電壓，VF為輸出整流管正向壓降，n為初次級匝比，TOFF隨輸入電壓瞬時值變化而變化。

工作電流波形如圖二所示，可見，在半個輸入電壓周期內，只要控制TON固定，則電感電流峰值跟隨輸入電壓峰值，且相位相同，實現高功率因素PF.


圖二

5.2下面將針對反激拓撲結構介紹相關參數設計流程

5.2.1首先根據實際應用確定規格目標參數，如最小交流輸入電壓Vinmin,最大交流輸入電壓Vinmax,交流輸入電壓頻率FL,輸出電壓Vout,輸出電流Iout,最大兩倍頻輸出電壓紋波ΔVo等。然後針對目標參數進行系統參數預設計，先估計轉換效率η來計算系統最大輸入功率;最大輸入功率Pin可表示為：

再確定系統最小工作頻率，LD7830的開關頻率是個變化量，表示為：

最小開關頻率Fsw-min出現在最小輸入電壓的正弦峰值處。系統設計中，最小開關頻率Fsw-min一般設定在35kHz或更高。

確定變壓器反射電壓VOR,反射電壓定義為：VOR=n(Vout+Vf)，VOR的取值影響MOSFET與次級整流管的選取以及吸收回路的設計。

5.2.2變壓器設計

首先確定初級電感量，電感的大小與最小開關頻率的確定有關，最小開關頻率發生在輸入電壓最小且滿載的時候，由公式推導有：

其中Ko定義為輸入電壓峰值與反射電壓的比值，即

一般說來Ko越大PF值會越低，總的THD%會越高。

確定初級電感量LP後，就該選擇變壓器磁芯了，可以參考公式AP=AE×AW選取，然後根據選定的磁芯，確定初級最小繞線圈數Npmin來避免變壓器飽和，參考公式：

然後確定次級繞組匝數，初次級的匝比由VRO決定：

同理推導並根據規格書定義的Vcc電壓可以得出Vcc繞組的匝數，LD7830的Vcc典型值設定在16V。

定義：

LP:初級電感量

NP:初級匝數

IPKP:初級峰值電流

BM:最大磁通飽和密度

AE:磁芯截面積

Po:輸出功率

5.2.3初級吸收回路設計

當MOSFET關斷時，由於變壓器漏感的存在，在MOSFET的漏端會出現一個電壓尖峰，過大的電壓加到MOS管的D極會引起MOS擊穿，而且會對EMI造成影響，所以要增加吸收回路來限制漏感尖峰電壓。典型的RCD吸收回路如圖三所示：


圖三

RCD迴路的工作原理是：當MOSFET的漏端電壓大於吸收回路二極體D1陰極電壓時，二極體D1導通，吸收漏感的電流從而限制漏感尖峰電壓。設計中，緩衝電容C1兩端的電壓Vsn要設定得比反射電壓VRO高50--


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