基于Sepic电路的工业照明设备节能电源设计

当前，照明约占世界总能耗的20%左右。有统计数据显示，仅LED路灯节能一项，每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力。正是由于LED照明所具有的节能、环保优势，近年来，其全球产值年增长率保持在20%以上，中国也先后启动了绿色照明工程、半导体照明工程、“十城万盏”计划等推进该产业发展。得益于LED技术的快速发展，各路资本积极介入投资LED产业，投资规模增长迅速，资料显示，LED光源市场到2015年预计可达到500亿元。LED灯的光输出效率在过去20里提高了近20倍，成本在过去10年间下降了90%，且性价比在不断提高，LED照明技术很有发展前途。

功率因数校正

功率因数（PF）的定义

功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值

即：

由此可见，功率因数（PF）由γ（输入电流的波形畸变因数）cos准（基波电压和基波电流的位移因数）决定。

功率因数校正的分类

功率因数校正，就是将畸变电流校正为正弦电流，并使之与电压同相位，从而使功率因数接近于1。交流输入电源经整流和滤波后，非线性负载使得输入电流波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大量的谐波分量，使得功率因数很低。

功率因数校正技术主要分为无源功率因数校正（PFC）和有源功率因数校正（APFC）［3］。无源校正电路，通常由大容量的电感、电容组成。加LC无源滤波器在AC/DC整流电路的输入端，是对电网实施补偿的被动方法。有源功率因数校正技术是对电力电子设备进行自行改进的主动方法，它是对AC/DC整流电路内部进行功率因数校正，从而使电路尽可能不产生谐波，而且输入电压和电流同相位。有源功率因数校正技术，在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流波形接近正弦，使功率因数提高到0.99以上。

基于 Sepic 电路的节能电源设计

Sepic

SEPIC（single ended primary inductor converter）是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。输出电压由主控开关（三极管或MOS管）的占空比控制。

这种电路最大的好处是输入输出同极性。尤其适合于电池供电的应用场合，允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。比如一块锂电池的电压为3V~4.2V，如果负载需要3.3V，那么SEPIC电路可以实现这种转换。

另外一个好处是输入输出的隔离，通过主回路上的电容C1实现。同时具备完全关断功能，当开关管关闭时，输出电压为0V。

电路结构和工作状态分析

图1 SEPIC电路拓扑结构

图2 Q1断开时工作状态（状态1）

图3 Q1导通时工作状态（状态2）

图1为SEPIC电路的拓扑结构。图2为MOS管Q1断开时电路的工作的工作状态，电容Cs处于充电状态，电感L1和L2处于放电状态。图3为MOS管Q2导通时电路的工作状态，电容Cs处于放电状态，电源给L1充电，电容Cs给电感L2充电。图2和图3电路中的电流流向如图中箭头所示。

有源功率因数校正（APFC）是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，其原理框图如1所示。其基本思想是：交流输入电压经全波整流后，对所得的全波整流电压进行DC/DC变换，并通过适当控制使输入电流自动跟随全波整流后的电压波形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定。该电路有两个反馈控制环：内环为电流环，使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环也为电流环，使DC/DC变换器输出恒定的电流。

主电路原理及分析

对主电路进行详细划分，可分为两部分，前一部分为桥式整流电路，后一部分为Sepic拓扑电路，如图2所示。桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将4个二极管分为两组，根据输入电压的极性分别导通，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压；Sepic电路是由两个电容、两个电感以及一个开关管和二极管组成，单独的Sepic电路只须工作在电流断续状态就能自然实现PFC。

交流市电经全桥整流之后，送入隔离型Sepic电路。隔离型Sepic电路的母线电压以半个工频周期波动，当Sepic电路处于稳定的工作状态时，其开关管的工作频率远远高于母线电压脉动周期，因此在一个开关周期内，可以近似的认为母线电压是一个恒定的电压。

控制电路原理及分析

当LED处于稳定工作状态时，其两端的电压降是恒定的，流过LED的电流也是恒定的。根据LED的工作特性可以知道，加在LED两端的电压即使出现极小的波动，也会使得LED工作状态发生改变，如果电压波动过大，甚至会损毁LED器件。LED的发光强度由驱动电流决定，电流过大会影响LED使用寿命，而电流过小则会影响LED发光亮度。因此LED驱动电源多采用恒流输出方式，并对输出电压进行控制，从而保证LED工作稳定；同时为了满足对LED驱动电源功率因数的要求，还要具有功率因数校正功能。

电流内环控制电路原理及分析

交流侧电源ui经全桥整流，输出电压u，其波形呈正弦波全桥整流后波形，如图3中（b）所示。将电压u，经过降压处理得到的一个合适的信号u‘i。将指令信号u’i，加在滞环比较器的同相端，作为基准信号。在全桥整流后回路中，串入一个检流电阻R，由欧姆定理可以知道，检流电阻R两端的电压信号uR与流过检流电阻的电流iR成比例关系。通过检测检流电阻两端的电压信号uR，得到反馈信号u‘R（在电流截止负反馈不起作用的情况下），如图3中（a）所示，将得到的反馈信号u’R加在滞环比较器的反相端，作为比较信号。

当反馈信号u‘R增大至指令信号u’i的上阈值时，滞环比较器输出端输出低电平，控制开关管关断，使得回路中电流iR减小，u‘R相应减小；当反馈信号u’R减小至指令信号u‘i的下阈值时，滞环比较器输出端输出高电平，控制开关开通，使得输入回路中电流iR增大，u’R也相应增大［5］。依次循环往复，从而达到u‘R跟踪u’i目的，使得输入电流波形趋于正弦波，如图3（a）中所示。

通过上面的分析可以知道，指令信号u‘i是输入电压ui经全桥整流之后，再经降压处理得到，其波形为正弦波全桥整流后波形，u’R时刻跟踪u‘i的波形变化，从而使得u’R的波形也呈现为正弦波全桥整流后波形，反馈信号u‘R是通过检测检流电阻两端电压信号uR得到的，uR与回路中的电流iR成比例关系，因此可知输入电流ii也是一个与电源电压ui同相位的正弦波，从而达到了功率因数矫正的目的。

电流外环控制电路原理及分析

输出回路中采用2个TL431使回路电流恒定，其中一个的作用是提供给另一个基准电压，回路在电流小于额定电流，也即没达过流保护时，是不动作的，电路处于开环工作状态。；当检流电阻的电流超过额定电流时，检流电阻上的电压升高，通过TL431使其阴极输出电压减小，经过光电耦合反馈到电流内环控制电路中。内环控制的调节使主电路电流减小，从而使检流电阻上的电压减小，输出电流恒定。

驱动电路原理

MOSFET 驱动电路如图 4 所示。

由于比较器输出为OC输出（即集电极开路），所以必须加上上拉电阻才可以使用［6］。当输出为高电平时，由于上拉电阻的作用使得三极管的基极电压被提高，三极管导通，对基极信号进行放大；放大的电流信号迅速给栅源之间的寄生电容充电，当寄生电容两端电压达到达到一定的数值时开关导通。

当输出电压是低电平时，开关管中寄生电容提供电压使二极管导通，从而使三极管的集电结反偏，这样三极管将处于截止状态，开关管的寄生电容同时通过二极管D1放电，直到寄生电容的电压低于开关的导通电压，开关管关断。

MOS管驱动电阻大，可以降低MOS开关的时候的电压电流的变化率。比较慢的开关速度，对EMI有好处，但是开关损耗增大。

MOS管驱动电阻小，提高MOS开关时候的电压电流变化率，可以获得比较快的开关速度。

开关电源中，功耗的考虑很重要，所以为了获得较快的开关速度，降低开关损耗，我们不加驱动电阻。

系统仿真及波形分析

根据系统原理在Multisim11.0仿真平台上搭建电路，仿真结果如图5所示。其中，Ui为输入电流在检流电阻上产生的电压波形，Ii为经过桥式整流后的电压波形，UQ1为开关管两端的电压波形。单相桥式整流电路在开关电源中应用十分普遍，但采用大电容滤波时，输人电流波形为一串串窄脉冲，含有大量谐波，电路输人功率因数很低，对电网产生严重污染。由图5可知，功率因数矫正前由于输出端加电容滤波，所以只有当电容两端电压低于输入电压时才有充电电流流过，以至于在电源端产生尖峰充电电流，此电流即为谐波源，对电网环境造成污染。电流内环控制电路开始工作后，输入电流跟踪输入电压，功率因数得到很大提升。

通过对Sepic拓扑的LED驱动电源进行的设计和仿真，证明基于滞环电流控制的APFC［7］电路可减小输入谐波电流对交流电网的污染，提高功率因数。在输出用外环电流截至负反馈控制，使得输出电流稳定在设计的范围内。提高功率因数是当今国内外研究的重要课题，把PFC技术应用到新型电源中成为新一代电源的标志之一。