1、引言

　　由于全球能源緊缺，節能和可持續發展逐漸成為人們熱衷的話題。led具有節能、環保、壽命長、響應速度快等特點，逐漸替代了白熾燈。很多場合都需要使用調光技術，如汽車尾燈、建筑照明等，隨著led的普遍使用，對led調光應用的需求也逐漸增加。目前，led調光技術主要分為三種：線性調光、可控硅調光、ＰＷＭ調光。線性調光運用分壓原理，應用比較簡單，但是分壓會產生過多的熱量，導致效率低下；可控硅調光運用導通角切波原理，效率較高、性能穩定，但是不同可控硅維持的電流不同，可能會造成閃爍，不能直接應用于led，需要改進調試；ＰＷＭ調光通過改變驅動芯片的占空比實現調光，應用簡單、效率高，但是容易產生人耳可聽見的噪聲，是目前被廣泛使用的一種方法。

　　本文提出一種新型調光方法———功率因數（PE）調光法。在實際應用的大多數場合中，電路并不是持續滿載運行，功率因數不能一直保持在０．９以上，當電路由滿載向輕載、重載變化，或輸入電壓波動時，都會造成功率因數的下降。事實上，在實際應用中，功率因數的變化范圍比較大。根據國際標準，電路的功率因數在0.7-1的范圍內變化都是符合標準規定的。本文提出的功率因數調光法將電路功率因數的變化范圍控制在0.7-1，使led照明電路的輸出電流產生相應的變化。

　　文章第２節介紹了基于SEPIC結構的led照明調光電路的原理，闡述了功率因數對輸出電流的影響；第3節通過外接可調電阻實現功率因數調光，分析了可調電阻與輸出電流的關系；第4節給出實際驗證結果，并進行了分析；第５節給出結論。

　　2、基于SEPIC架構的可調光電路

　　Boost結構的功率因數校正電路，其輸出直流電壓必須高于輸入線峰值電壓（至少４００Ｖ以上），且難以實現輸入輸出的電氣隔離；Flyback結構的功率因數校正電路，其輸入電流不連續，往往需要大體積的輸入濾波器。與Boost，Flyback等典型結構相比，SEPIC架構在AC_DC降壓電路應用中有著其獨特的優勢：SEPIC架構輸入級類似于Boost架構，可以保證輸入電流的連續性，由于輸入電流畸變小，小體積的ＥＭＩ濾波器便可滿足要求，既節省面積又降低了成本；輸出級類似于Flyback結構，易于實現電氣隔離，可以在開關短路時保護負載。因此，將SEPIC架構應用于AC_DC變換的功率因數校正電路是最好的選擇之一。此外，SEPIC架構的臨界導通模式具有功率因數高、功率開關管零電流導通、功率二極管的損耗小、控制電路簡單等優點，已廣泛應用于中小功率開關電源?？紤]到SEPIC架構在小功率AC_DC變換應用

　　中具有實現簡單、功率因數高、成本低等優點，以及臨界導通模式在中小功率開關電源中的優勢，本文電路采用SEPIC架構實現，工作在臨界導通模式。通過控制電路功率因數大小，得到隨功率因數值變化的輸出電流，實現ＬＥＤ的可調光。

　　用于功率因數校正（PFC）電路的傳統SEPIC架構如圖１所示

　　電路工作原理為：當開關Ｓ導通時，輸入電源對L1充電，L1的電流線性增加，CS把儲存的能量傳遞給L2，L2的電流增加，二極管Ｄ截止，COUT為輸出負載提供能量；當開關Ｓ斷開時，L1對CS充電，并為負載提供能量，二極管Ｄ導通，L2向負載提供能量，并對COUT充電。輸出經過采樣電阻Ｒ１和Ｒ２分壓后，作為PFC內部誤差放大器的反向輸入信號與內部參考電壓Ｕｒｅｆ比較后，作為乘法器的輸入信號之一，而乘法器的另一個輸入信號是輸入電流采樣信號，二者共同輸入乘法器運算后輸出，再由PFC內部電路調整后驅動控制開關管Ｓ的導通與斷開，實現對電路功率因數的校正。

　　對于用電設備，功率因數直接影響電網的供電質量和電能損耗。理論上，功率因數是有功功率Ｐ與視在功率Ｓ的比值，即：

　　從（２）式可以看出，功率因數主要由兩個因素決定：１）交流輸入的基波電流和基波電壓的相位差；２）總諧波失真系數ＴＨＤ。ｃｏｓφ低，表明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，設備的利用率低，導線、變壓器繞組損耗大；ＴＨＤ高，表明輸入電流諧波分量大，將造成輸入電流波形畸變，對電網造成污染，嚴重時將導致設備損壞。

　　根據（２）式，在總諧波失真保持不變的情況下，通過改變基波電壓和基波電流的相位差φ，即可改變功率因數。因此，在保證不帶來更多高次諧波、不改變總諧波失真的前提下，可以通過“干擾”PFC芯片內部的運算結果，實現對電路功率因數的改變。

　　考慮到同相比例運算放大器具有高輸入電阻、低輸出電阻的優點，在PFC芯片內部增加一個同相比例運算放大電路，作為輸入到乘法器的第三個變量，用來改變PFC芯片的運算結果。此外，由于放大器工作頻率太低，響應速度跟不上，而頻率太高又會為系統引入高次諧波分量，故將運算放大器的工作頻率范圍設定為５０Ｈｚ。該運算放大器可以將輸入的變化反映到輸出中，同時，實現了輸入輸出的隔

　　離，在一定程度上降低了引入高次諧波的風險，即維持總諧波失真不變。

　　在傳統SEPIC架構的基礎上，提出了一種改進的SEPIC方案，主要運用于AC_DC變換器的PFC電路。電路結構如圖２所示，其中虛線部分為改進結構。Ｒｓ是可調電阻，為了調試的方便，將其置于PFC芯片外部。通過調節Ｒｓ的阻值，改變乘法器的輸入，從而改變PFC的運算結果，得到所需的電路功率因數值。

　　設定改進的SEPIC電路工作在臨界導通模式下，L1＝L2，且初始儲能為０，電感電流波形如圖3所示。

　　其中，UI為交流輸入視在功率，PF為電路的功率因數，DT為一周期內開關管的導通時間。當PFC調節模塊使功率因數PE值從０．７到１變化時（國際標準要求PE值不得低于０．７，故本文選定這個變化范圍），占空比Ｄ從0.1到0.9變化，輸出電流Iout隨PE的變化情況如圖４所示。橫坐標對應功率因數PE，縱坐標對應輸出電流Iout，從下到上依次為占空比Ｄ從0.1到0.9逐漸遞增所對應的輸出電流隨PE的變化。從圖４可以看出，當PE從０．７增大到１時，電路的輸出電流Iout呈線性上升趨勢，且占空比越大，輸出電流Iout越大，電流變化范圍也越寬。由此看出，可以通過改變功率因數PE來實現對輸出電流Iout的控制。

　　3、外接可調電阻實現功率因數調光

　　誤差放大器的輸出UEO和運算放大器的輸出URO經過加法器運算后，作為乘法器的一個輸入端ＵＭ２，即：

　　其中，ａ，ｂ，ｋ都是常數。

　　圖５所示為運算放大器中可調電阻Ｒｓ與功率因數PE的關系，橫坐標對應外接可調電阻Ｒｓ，縱坐標對應功率因數PE?？烧{電阻Ｒｓ的變化范圍為１５４Ω～１４4.5ｋΩ。從圖５可以看出，隨著可調電阻Ｒｓ的改變，PE變化呈線性上升趨勢。

　　圖６所示為輸出電流Iout隨PE和Ｒｓ的變化情況。橫坐標對應輸出電流Iout，縱坐標分別對應功率因數PE和外接可調電阻Ｒｓ。通過調節功率因數，可以改變輸出電流。而調節外接可調電阻Ｒｓ的值，即可獲得不同的輸出電流Iout。由圖６可以看出，隨著輸出電流Iout的增大，電路功率因數PE和可調電阻Ｒｓ也隨之增大，且基本趨于線性。

　　4、電路驗證與分析

　　根據本文設計電路，繪制并制作PCB驗證板進行實驗測試。通過調節外接可調電阻Ｒｓ來調節電路的功率因數，觀察輸出電流的變化，并與理論值進行對比。選取PFC升壓電感為15ｍＨ，電容CS為１μＨ，LED燈串（１Ｗ／顆）作為電路負載，輸入電壓為220Ｖ，輸入電流為０．０２９００Ａ，功率為６．４3０Ｗ，儀器掃描范圍為3８０．０～８００．０ｎｍ，掃描間隔為５．０ｎｍ，參考通道為ＲＥＦ＝９０９５（Ｒ＝3），最大波動為－０．４７８％。測得光通量為４１２．４3ｌｍ，輻射通量為1.2487，光效為64.14ｍ／Ｗ。

　　圖７所示為電路板實測值與理論值的對比，其中實線為理論值數據，虛線為實際測試結果。

　　從圖７可以看出，以實測數據點為依據擬合的曲線與理論推導的線性趨勢基本吻合。當占空比逐漸增大時，得到的實測數據線更接近理論數據線；當占空比很小時，受寄生電感、電容和一些寄生效應等因素的影響，電路可能會變得略微敏感，測試數據線與理論數據線有一定的偏差，但還是在預期范圍內，且變化的基本趨勢是符合理論推導的。

　　采用CSCO.5μｍ40VBCD工藝設計驅動芯片，通過PCB板驗證了功率因數調光法的可行性。對電路板的轉換效率進行測試，結果如圖8所示。可以看出，隨著輸出電流的增大，電路的轉換效率呈下降趨勢，也就是說，增加電路功率因數是以犧牲電路轉換效率為代價的，但電路的整體轉換效率維持在92.7以上，最高可達到９４％以上，符合預期目標。

　　驅動芯片的版圖如圖9所示。在布局時，應注意差分對的十字中心對稱原則，以增強其匹配性，減小由于工藝原因而造成的失配誤差。此外，電阻、電容等匹配問題也不容忽視。

　　5、結論

　　本文提出了一種基于CSCO.5μｍ40VBCD工藝的新型調光方案，結合SEPIC架構搭建外圍電路，可直接通過調節外部可調電阻來改變電路的功率因數，獲得不同的輸出驅動電流，從而實現LED照明燈的調光。該結構易于實現、可控性高，通過選擇可調電阻阻值，可獲得較大的調光范圍，且成本低廉，具有很高的實用價值。