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一种基于sepic架构的新型led照明调光电路【新资讯】

发布时间:2019-10-18 15:24:55 阅读: 来源:信号灯厂家

1、引言

由于全球能源紧缺,节能和可持续发展逐渐成为人们热衷的话题。led具有节能、环保、寿命长、响应速度快等特点,逐渐替代了白炽灯。很多场合都需要使用调光技术,如汽车尾灯、建筑照明等,随着led的普遍使用,对led调光应用的需求也逐渐增加。目前,led调光技术主要分为三种:线性调光、可控硅调光、pwm调光。线性调光运用分压原理,应用比较简单,但是分压会产生过多的热量,导致效率低下;可控硅调光运用导通角切波原理,效率较高、性能稳定,但是不同可控硅维持的电流不同,可能会造成闪烁,不能直接应用于led,需要改进调试;pwm调光通过改变驱动芯片的占空比实现调光,应用简单、效率高,但是容易产生人耳可听见的噪声,是目前被广泛使用的一种方法。

本文提出一种新型调光方法———功率因数(pe)调光法。在实际应用的大多数场合中,电路并不是持续满载运行,功率因数不能一直保持在0.9以上,当电路由满载向轻载、重载变化,或输入电压波动时,都会造成功率因数的下降。事实上,在实际应用中,功率因数的变化范围比较大。根据国际标准,电路的功率因数在0.7-1的范围内变化都是符合标准规定的。本文提出的功率因数调光法将电路功率因数的变化范围控制在0.7-1,使led照明电路的输出电流产生相应的变化。

文章第2节介绍了基于sepic结构的led照明调光电路的原理,阐述了功率因数对输出电流的影响;第3节通过外接可调电阻实现功率因数调光,分析了可调电阻与输出电流的关系;第4节给出实际验证结果,并进行了分析;第5节给出结论。

2、基于sepic架构的可调光电路

boost结构的功率因数校正电路,其输出直流电压必须高于输入线峰值电压(至少400v以上),且难以实现输入输出的电气隔离;flyback结构的功率因数校正电路,其输入电流不连续,往往需要大体积的输入滤波器。与boost,flyback等典型结构相比,sepic架构在ac_dc降压电路应用中有着其独特的优势:sepic架构输入级类似于boost架构,可以保证输入电流的连续性,由于输入电流畸变小,小体积的emi滤波器便可满足要求,既节省面积又降低了成本;输出级类似于flyback结构,易于实现电气隔离,可以在开关短路时保护负载。因此,将sepic架构应用于ac_dc变换的功率因数校正电路是最好的选择之一。此外,sepic架构的临界导通模式具有功率因数高、功率开关管零电流导通、功率二极管的损耗小、控制电路简单等优点,已广泛应用于中小功率开关电源。考虑到sepic架构在小功率ac_dc变换应用

中具有实现简单、功率因数高、成本低等优点,以及临界导通模式在中小功率开关电源中的优势,本文电路采用sepic架构实现,工作在临界导通模式。通过控制电路功率因数大小,得到随功率因数值变化的输出电流,实现led的可调光。

用于功率因数校正(pfc)电路的传统sepic架构如图1所示

电路工作原理为:当开关s导通时,输入电源对l1充电,l1的电流线性增加,cs把储存的能量传递给l2,l2的电流增加,二极管d截止,cout为输出负载提供能量;当开关s断开时,l1对cs充电,并为负载提供能量,二极管d导通,l2向负载提供能量,并对cout充电。输出经过采样电阻r1和r2分压后,作为pfc内部误差放大器的反向输入信号与内部参考电压uref比较后,作为乘法器的输入信号之一,而乘法器的另一个输入信号是输入电流采样信号,二者共同输入乘法器运算后输出,再由pfc内部电路调整后驱动控制开关管s的导通与断开,实现对电路功率因数的校正。

对于用电设备,功率因数直接影响电网的供电质量和电能损耗。理论上,功率因数是有功功率p与视在功率s的比值,即:

从(2)式可以看出,功率因数主要由两个因素决定:1)交流输入的基波电流和基波电压的相位差;2)总谐波失真系数thd。cosφ低,表明电路用于交变磁场转换的无功功率大,设备的利用率低,导线、变压器绕组损耗大;thd高,表明输入电流谐波分量大,将造成输入电流波形畸变,对电网造成污染,严重时将导致设备损坏。

根据(2)式,在总谐波失真保持不变的情况下,通过改变基波电压和基波电流的相位差φ,即可改变功率因数。因此,在保证不带来更多高次谐波、不改变总谐波失真的前提下,可以通过“干扰”pfc芯片内部的运算结果,实现对电路功率因数的改变。

考虑到同相比例运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻的优点,在pfc芯片内部增加一个同相比例运算放大电路,作为输入到乘法器的第三个变量,用来改变pfc芯片的运算结果。此外,由于放大器工作频率太低,响应速度跟不上,而频率太高又会为系统引入高次谐波分量,故将运算放大器的工作频率范围设定为50hz。该运算放大器可以将输入的变化反映到输出中,同时,实现了输入输出的隔

离,在一定程度上降低了引入高次谐波的风险,即维持总谐波失真不变。

在传统sepic架构的基础上,提出了一种改进的sepic方案,主要运用于ac_dc变换器的pfc电路。电路结构如图2所示,其中虚线部分为改进结构。rs是可调电阻,为了调试的方便,将其置于pfc芯片外部。通过调节rs的阻值,改变乘法器的输入,从而改变pfc的运算结果,得到所需的电路功率因数值。

设定改进的sepic电路工作在临界导通模式下,l1=l2,且初始储能为0,电感电流波形如图3所示。

其中,ui为交流输入视在功率,pf为电路的功率因数,dt为一周期内开关管的导通时间。当pfc调节模块使功率因数pe值从0.7到1变化时(国际标准要求pe值不得低于0.7,故本文选定这个变化范围),占空比d从0.1到0.9变化,输出电流iout随pe的变化情况如图4所示。横坐标对应功率因数pe,纵坐标对应输出电流iout,从下到上依次为占空比d从0.1到0.9逐渐递增所对应的输出电流随pe的变化。从图4可以看出,当pe从0.7增大到1时,电路的输出电流iout呈线性上升趋势,且占空比越大,输出电流iout越大,电流变化范围也越宽。由此看出,可以通过改变功率因数pe来实现对输出电流iout的控制。

3、外接可调电阻实现功率因数调光

误差放大器的输出ueo和运算放大器的输出uro经过加法器运算后,作为乘法器的一个输入端um2,即:

其中,a,b,k都是常数。

图5所示为运算放大器中可调电阻rs与功率因数pe的关系,横坐标对应外接可调电阻rs,纵坐标对应功率因数pe。可调电阻rs的变化范围为154ω~144.5kω。从图5可以看出,随着可调电阻rs的改变,pe变化呈线性上升趋势。

图6所示为输出电流iout随pe和rs的变化情况。横坐标对应输出电流iout,纵坐标分别对应功率因数pe和外接可调电阻rs。通过调节功率因数,可以改变输出电流。而调节外接可调电阻rs的值,即可获得不同的输出电流iout。由图6可以看出,随着输出电流iout的增大,电路功率因数pe和可调电阻rs也随之增大,且基本趋于线性。

4、电路验证与分析

根据本文设计电路,绘制并制作pcb验证板进行实验测试。通过调节外接可调电阻rs来调节电路的功率因数,观察输出电流的变化,并与理论值进行对比。选取pfc升压电感为15mh,电容cs为1μh,led灯串(1w/颗)作为电路负载,输入电压为220v,输入电流为0.02900a,功率为6.430w,仪器扫描范围为380.0~800.0nm,扫描间隔为5.0nm,参考通道为ref=9095(r=3),最大波动为-0.478%。测得光通量为412.43lm,辐射通量为1.2487,光效为64.14m/w。

图7所示为电路板实测值与理论值的对比,其中实线为理论值数据,虚线为实际测试结果。

从图7可以看出,以实测数据点为依据拟合的曲线与理论推导的线性趋势基本吻合。当占空比逐渐增大时,得到的实测数据线更接近理论数据线;当占空比很小时,受寄生电感、电容和一些寄生效应等因素的影响,电路可能会变得略微敏感,测试数据线与理论数据线有一定的偏差,但还是在预期范围内,且变化的基本趋势是符合理论推导的。

采用csco.5μm40vbcd工艺设计驱动芯片,通过pcb板验证了功率因数调光法的可行性。对电路板的转换效率进行测试,结果如图8所示。可以看出,随着输出电流的增大,电路的转换效率呈下降趋势,也就是说,增加电路功率因数是以牺牲电路转换效率为代价的,但电路的整体转换效率维持在92.7以上,最高可达到94%以上,符合预期目标。

驱动芯片的版图如图9所示。在布局时,应注意差分对的十字中心对称原则,以增强其匹配性,减小由于工艺原因而造成的失配误差。此外,电阻、电容等匹配问题也不容忽视。

5、结论

本文提出了一种基于csco.5μm40vbcd工艺的新型调光方案,结合sepic架构搭建外围电路,可直接通过调节外部可调电阻来改变电路的功率因数,获得不同的输出驱动电流,从而实现led照明灯的调光。该结构易于实现、可控性高,通过选择可调电阻阻值,可获得较大的调光范围,且成本低廉,具有很高的实用价值。

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