低纹波无电解电容AC-DC LED驱动电路的设计

摘要

LED作为一种绿色环保的新型半导体固态照明光源，以其发光效率高、低碳健康、安全节能、绿色环保和可靠耐用等优点受到各界关注，在近几年来成为发展的重点。由于LED照明同其他电气照明一样是一种非阻性负载，因而需要对其进行功率因数校正，减小谐波对电网的“污染”。而使用功率因数校正技术能够保证输入电流跟随输入电压呈正弦变化，但会导致输入功率呈两倍工频脉动，因此电路需要容值较大的电解电容来保证输出功率尽可能恒定。电解电容的使用会降低驱动电源的寿命;反之，若使用容值较小、寿命较高的陶瓷电容或薄膜电容，又使得输出端的输出功率产生较大脉动，对于恒流驱动电路，即为输出电流包含较大的两倍工频纹波。因此，在实现功率因数校正的同时，还需要避免使用低寿命的电解电容并且要控制输出电流纹波在一个较低的范围内，这对LED驱动电路的设计提出了更高的要求。
　　本文在对BCM原边反馈反激式PFC变换器分析的基础上，设计了自适应固定导通时间生成电路，使得导通时间能够跟随输入电压峰值、负载变化而变化，从而实现恒流效果，同时在输入电压峰值与负载固定时，导通时问固定，实现了功率因数校正。针对输出电流两倍工频纹波，设计了纹波抑制电路来替代寿命较低的储能电容，能够对输出电流进行有效的纹波抑制。本文对低纹波无电解电容AC-DC LED驱动电路进行建模，使用Simplis软件对改进的电路模型进行了有效性验证。在此基础上，本文采用HHNEC0.5μm5V/40V HVCMOS工艺对电路进行了设计，使用CadenceSpectre进行了仿真验证，绘制了PFC控制芯片版图并流片，使用分立器件搭建了纹波抑制电路。通过对原型电路进行测试，交流输入电压在90V～264V范围内，输出功率在12～18W时，整个系统的功率因数高于0.9，最高达到0.9961，总谐波失真不高于20％，最小值仅为6.29％，采用纹波抑制电路后，输出电流纹波分量最高为4.37％，转换效率高于81.07％，满足了设计指标。
　　随着两倍工频纹波造成LED频闪的问题越来越受到人们的关注，因此对于使用功率因数校正技术的LED驱动电路输出电流纹波的抑制这方面研究，尤其是对于单级PFC，逐渐成为一个热门方向，但是目前还处在较为初级的阶段。本文的纹波抑制电路立足于现有方法的理论基础，不仅避免使用低寿命的电解电容，又降低了输出电流纹波，同时还保证对电路其他性能没有影响，或有着影响较小，这为纹波抑制电路集成化、小型化、产品化提供了有力的理论支持，为早日设计出有自主知识产权的无频闪PFC LED驱动电路打下良好的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 功率因数校正技术研究现状

1．2．2 低纹波无电解电容技术研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 功率因数校正技术概述及方案确定

2．1 功率因数与总谐波失真

2．1．1 平均功率

2．1．2 波形的均方根值

2．1．3 功率因数的定义

2．1．4 正弦系统电源相量

2．1．5 交流线电流的谐波标准

2．2 无源功率因数校正技术

2．3 有源功率因数校正技术

2．3．1 功率因数校正中的基本拓扑结构

2．3．2 功率因数校正中的基本导通模式

2．3．3 功率因数校正中的基本控制模式

2．4 功率因数校正技术方案确定

2．5 本章小结

第三章 低纹波无电解电容AC-DC LED驱动电路系统级设计与验证

3．1 系统工作流程与整体架构

3．2 低纹波无电解电容AC-DC LED驱动电路性能分析

3．2．1 临界导通模式反激变换器输入电流分析

3．2．2 临界导通模式反激变换器功率因数与总谐波失真分析

3．2．3 临界导通模式反激变换器输出电流分析

3．2．4 临界导通模式反激变换器输出电流纹波与电容关系

3．2．5 基于能量转移法的纹波抑制效果分析

3．3 系统基于Simplis平台建模验证

3．3．1 峰值采样电路建模仿真

3．3．2 峰值换算电路建模仿真

3．3．3 平均电流计算电路建模仿真

3．3．4 导通时间生成电路建模仿真

3．3．5 积分电路建模与仿真

3．3．6 效率补偿电路建模与仿真

3．3．7 纹波补偿电路建模与仿真

3．3．8 整体电路仿真

3．4 本章小结

第四章 关键模块电路设计与实现

4．1 误差放大器

4．2 自适应固定导通时间生成电路

4．3 新型高压带隙基准

4．4 积分电路

4．5 效率补偿电路

4．5．1 电压跟随电路

4．5．2 单稳态电路

4．5．3 延时电路

4．5．4 整体电路仿真效果

4．6 纹波补偿电路

4．7 本章小结

第五章 系统测试与分析

5．1 流片工艺与版图绘制

5．1．1 流片工艺介绍

5．1．2 流片版图绘制

5．2 系统设计与测试

5．2．1 系统电路结构设计

5．2．2 后级纹波抑制电路设计

5．2．3 外围电路参数设置

5．2．4 系统测试与分析

5．3 测试结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

参考文献