单级高功率因数离线降压转换器在白炽灯中的应用

LED照明与白炽灯，卤素灯，荧光灯和燃气/弧光灯相比具有许多潜在的优势。它具有更长的寿命，更高效，并且没有汞。随着欧洲和加拿大以及很快在美国禁止使用白炽灯，LED灯越来越受到关注。为了实现高功率因数，可以使用无源功率因数校正（PFC）或有源PFC。通常，无源PFC解决方案需要大的无源元件，因此难以安装小尺寸的灯泡插座。传统的有源PFC电路需要两级拓扑，例如，用于PFC的升压级，然后是用于LED的电流调节的降压或反激级。显然，两个阶段的成本很高，而且规模太大。为了提高效率并减小电路尺寸，应使用非隔离拓扑结构。本文介绍了一种用于LED灯的单级，高功率因数，非隔离，离线降压转换器。由于其简单，小尺寸和低成本，降压转换器被选择用于该应用。转换器以恒定峰值电流和转换模式（CCM和DCM之间的边界模式）工作，以实现软开关。通过在输入AC线接近输出LED电压的位置附近重新形成峰值电流来实现高功率因数。

建议的电路

图1显示了所提出的单级降压LED驱动器。转换器以转换模式运行;有时它被称为连续模式和不连续模式之间的边界模式。如果电感电流处于边界模式，则平均LED电流恰好是峰值电感电流的一半。如果保持电感器的峰值电流，则LED电流可以很好地调节，而无需检测LED电流，这极大地简化了电路设计。由于转换器在转换模式下工作，因此MOSFET在零电流时导通，并且续流二极管没有反向恢复电流。这有利于EMI和效率。

图1：单级降压LED驱动器的原理图。

如果电感电流恒定，电路的功率因数将是非常差并且输入电流波形在过零期间将显着失真（输入交流电压接近输出LED电压）。如果有办法减小零交叉附近的电流幅度，则可以提高功率因数。过渡模式PFC控制器L6562A用于实现此目的。 L6562A是在转换模式下工作的电流模式PFC控制器（CCM和DCM之间的边界模式）。其线性乘法器使转换器能够根据输入电压调整交流输入电流波形。 L6562A的框图如图2所示。

图2：L6562A的框图。

近零交叉，控制器的乘法器功能将有效降低电感电流。在其余时间，电感峰值电流保持恒定在指定的水平，以保持恒定的LED电流。

在设计过程和电路的操作中需要考虑以下公式：

输入电压：Vin（θ）=√2* Vin * sin（θ），Vin = 120 VAC输出电压：串联9个LED，Vout 30 V输出电流：Iout = 350 mA

设计变量是电感的峰值电流Ipk和电感为L.

当Q1导通时，电感将充电至Ipk。准时将是：

关闭时间将是：

切换周期的周期将是：

占空比D将是：

切换将在Vin》 Vout时发生。

频率为：

开关频率在线路周期内会发生变化，这有利于EMI，因为它可以扩展频谱最大频率发生在峰值输入电压：

如果理想条件，Ipk将为700 mA。实际峰值将高于该值，因为当输入电压低于LED电压时存在死区时间，并且在输入线电压接近LED电压的时段附近峰值电流减小。如果我们选择ƒswmax的最大开关频率小于150 KHz，从上面的等式，我们可以得到：

转换器的操作是如下：

t0到t1的周期是输入电压低于LED电压的时间。在［t0，t1］期间，由于输入电压低于LED电压，因此没有电感电流。

t1到t3的周期是输入电压高于LED电压但是它们接近。在［t1，t2］期间，Q1在时间t1接通。电感电流在t1达到峰值。在此期间，峰值幅度将低于恒定值Ipk。峰值由乘法器输入确定。

在［t2，t3］期间，Q1在t2处关闭。在t3，电感电流将减小到零。在时间t3，控制器的ZCD引脚将检测到ZCD信号为低电平，并在t3再次接通Q1。 Q1在零电压时导通，并且续流二极管没有二极管反向恢复问题。电感的耦合绕组提供ZCD信号。

t4到t6的周期是峰值线电压。在［t4，t5］期间，Q1在时间t4接通。电感电流在t4达到峰值。峰值幅度是预定义的常数值Ipk。在［t5，t6］期间，Q1在t5关闭。在t6，电感电流将减小到零。在时间t6，控制器的ZCD引脚将检测到ZCD信号为低电平并再次打开Q1。

图3：转换器关键波形图示。

LED将看120 Hz波纹。输出滤波电容Cout是将纹波降低到所需值的必要条件。

测试结果

图4显示了输入电流波形与建议的功率因数校正。输入功率因数高于0.88。转换器的效率高于89％。图5显示了电感电流包络与输入电压的关系，图6显示了LED电压和电流，图7显示了最终电路板。

有关电路细节和BOM，请参考STMicroelectronics应用笔记3256.

图4：输入电压和输入电流以及功率因数校正。

图5：电感电流包络与输入电压的关系。

图6：LED电压和LED电流。

图7：完成的电路板。

在转换模式下运行提供有利于降低开关损耗并减少EMI频谱的扩散。降压转换器通过在没有LED电流感测的情况下在电感器恒定峰值电流下操作来实现LED恒定电流，并且当输入线电压接近输出LED电压时通过重新整形电流波形来实现高功率因数。该解决方案简单，成本低，体积小，适用于白炽灯替换应用。