當前，照明約占世界總能耗的20%左右。有統計數據顯示，僅LED路燈節能一項，每年就能為中國節省約一座三峽大壩所發的電力。正是由于LED照明所具有的節能、環保優勢，近年來，其全球產值年增長率保持在20%以上，中國也先后啟動了綠色照明工程、半導體照明工程、“十城萬盞”計劃等推進該產業發展。得益于LED技術的快速發展，各路資本積極介入投資LED產業，投資規模增長迅速，資料顯示，LED光源市場到2015年預計可達到500億元。LED燈的光輸出效率在過去20里提高了近20倍，成本在過去10年間下降了90%，且性價比在不斷提高，LED照明技術很有發展前途。

功率因數校正

功率因數（PF）的定義

功率因數（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值

即：

由此可見，功率因數（PF）由γ（輸入電流的波形畸變因數）cos準（基波電壓和基波電流的位移因數）決定。

功率因數校正的分類

功率因數校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數接近于1。交流輸入電源經整流和濾波后，非線性負載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數很低。

功率因數校正技術主要分為無源功率因數校正（PFC）和有源功率因數校正（APFC）［3］。無源校正電路，通常由大容量的電感、電容組成。加LC無源濾波器在AC/DC整流電路的輸入端，是對電網實施補償的被動方法。有源功率因數校正技術是對電力電子設備進行自行改進的主動方法，它是對AC/DC整流電路內部進行功率因數校正，從而使電路盡可能不產生諧波，而且輸入電壓和電流同相位。有源功率因數校正技術，在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關變換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流波形接近正弦，使功率因數提高到0.99以上。

基于 Sepic 電路的節能電源設計

Sepic

SEPIC（single ended primary inductor converter）是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DCDC變換器。輸出電壓由主控開關（三極管或MOS管）的占空比控制。

這種電路最大的好處是輸入輸出同極性。尤其適合于電池供電的應用場合，允許電池電壓高于或者小于所需要的輸入電壓。比如一塊鋰電池的電壓為3V~4.2V，如果負載需要3.3V，那么SEPIC電路可以實現這種轉換。

另外一個好處是輸入輸出的隔離，通過主回路上的電容C1實現。同時具備完全關斷功能，當開關管關閉時，輸出電壓為0V。

電路結構和工作狀態分析

圖1 SEPIC電路拓撲結構

圖2 Q1斷開時工作狀態（狀態1）

圖3 Q1導通時工作狀態（狀態2）

圖1為SEPIC電路的拓撲結構。圖2為MOS管Q1斷開時電路的工作的工作狀態，電容Cs處于充電狀態，電感L1和L2處于放電狀態。圖3為MOS管Q2導通時電路的工作狀態，電容Cs處于放電狀態，電源給L1充電，電容Cs給電感L2充電。圖2和圖3電路中的電流流向如圖中箭頭所示。

有源功率因數校正（APFC）是抑制電流諧波，提高功率因數最有效的方法，其原理框圖如1所示。其基本思想是：交流輸入電壓經全波整流后，對所得的全波整流電壓進行DC/DC變換，并通過適當控制使輸入電流自動跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時保持輸出電壓穩定。該電路有兩個反饋控制環：內環為電流環，使DC/DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環也為電流環，使DC/DC變換器輸出恒定的電流。

主電路原理及分析

對主電路進行詳細劃分，可分為兩部分，前一部分為橋式整流電路，后一部分為Sepic拓撲電路，如圖2所示。橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將4個二極管分為兩組，根據輸入電壓的極性分別導通，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓；Sepic電路是由兩個電容、兩個電感以及一個開關管和二極管組成，單獨的Sepic電路只須工作在電流斷續狀態就能自然實現PFC。

交流市電經全橋整流之后，送入隔離型Sepic電路。隔離型Sepic電路的母線電壓以半個工頻周期波動，當Sepic電路處于穩定的工作狀態時，其開關管的工作頻率遠遠高于母線電壓脈動周期，因此在一個開關周期內，可以近似的認為母線電壓是一個恒定的電壓。

控制電路原理及分析

當LED處于穩定工作狀態時，其兩端的電壓降是恒定的，流過LED的電流也是恒定的。根據LED的工作特性可以知道，加在LED兩端的電壓即使出現極小的波動，也會使得LED工作狀態發生改變，如果電壓波動過大，甚至會損毀LED器件。LED的發光強度由驅動電流決定，電流過大會影響LED使用壽命，而電流過小則會影響LED發光亮度。因此LED驅動電源多采用恒流輸出方式，并對輸出電壓進行控制，從而保證LED工作穩定；同時為了滿足對LED驅動電源功率因數的要求，還要具有功率因數校正功能。

電流內環控制電路原理及分析

交流側電源ui經全橋整流，輸出電壓u，其波形呈正弦波全橋整流后波形，如圖3中（b）所示。將電壓u，經過降壓處理得到的一個合適的信號u‘i。將指令信號u’i，加在滯環比較器的同相端，作為基準信號。在全橋整流后回路中，串入一個檢流電阻R，由歐姆定理可以知道，檢流電阻R兩端的電壓信號uR與流過檢流電阻的電流iR成比例關系。通過檢測檢流電阻兩端的電壓信號uR，得到反饋信號u‘R（在電流截止負反饋不起作用的情況下），如圖3中（a）所示，將得到的反饋信號u’R加在滯環比較器的反相端，作為比較信號。

當反饋信號u‘R增大至指令信號u’i的上閾值時，滯環比較器輸出端輸出低電平，控制開關管關斷，使得回路中電流iR減小，u‘R相應減小；當反饋信號u’R減小至指令信號u‘i的下閾值時，滯環比較器輸出端輸出高電平，控制開關開通，使得輸入回路中電流iR增大，u’R也相應增大［5］。依次循環往復，從而達到u‘R跟蹤u’i目的，使得輸入電流波形趨于正弦波，如圖3（a）中所示。

通過上面的分析可以知道，指令信號u‘i是輸入電壓ui經全橋整流之后，再經降壓處理得到，其波形為正弦波全橋整流后波形，u’R時刻跟蹤u‘i的波形變化，從而使得u’R的波形也呈現為正弦波全橋整流后波形，反饋信號u‘R是通過檢測檢流電阻兩端電壓信號uR得到的，uR與回路中的電流iR成比例關系，因此可知輸入電流ii也是一個與電源電壓ui同相位的正弦波，從而達到了功率因數矯正的目的。

電流外環控制電路原理及分析

輸出回路中采用2個TL431使回路電流恒定，其中一個的作用是提供給另一個基準電壓，回路在電流小于額定電流，也即沒達過流保護時，是不動作的，電路處于開環工作狀態。；當檢流電阻的電流超過額定電流時，檢流電阻上的電壓升高，通過TL431使其陰極輸出電壓減小，經過光電耦合反饋到電流內環控制電路中。內環控制的調節使主電路電流減小，從而使檢流電阻上的電壓減小，輸出電流恒定。

驅動電路原理

MOSFET 驅動電路如圖 4 所示。

由于比較器輸出為OC輸出（即集電極開路），所以必須加上上拉電阻才可以使用［6］。當輸出為高電平時，由于上拉電阻的作用使得三極管的基極電壓被提高，三極管導通，對基極信號進行放大；放大的電流信號迅速給柵源之間的寄生電容充電，當寄生電容兩端電壓達到達到一定的數值時開關導通。

當輸出電壓是低電平時，開關管中寄生電容提供電壓使二極管導通，從而使三極管的集電結反偏，這樣三極管將處于截止狀態，開關管的寄生電容同時通過二極管D1放電，直到寄生電容的電壓低于開關的導通電壓，開關管關斷。

MOS管驅動電阻大，可以降低MOS開關的時候的電壓電流的變化率。比較慢的開關速度，對EMI有好處，但是開關損耗增大。

MOS管驅動電阻小，提高MOS開關時候的電壓電流變化率，可以獲得比較快的開關速度。

開關電源中，功耗的考慮很重要，所以為了獲得較快的開關速度，降低開關損耗，我們不加驅動電阻。

系統仿真及波形分析

根據系統原理在Multisim11.0仿真平臺上搭建電路，仿真結果如圖5所示。其中，Ui為輸入電流在檢流電阻上產生的電壓波形，Ii為經過橋式整流后的電壓波形，UQ1為開關管兩端的電壓波形。單相橋式整流電路在開關電源中應用十分普遍，但采用大電容濾波時，輸人電流波形為一串串窄脈沖，含有大量諧波，電路輸人功率因數很低，對電網產生嚴重污染。由圖5可知，功率因數矯正前由于輸出端加電容濾波，所以只有當電容兩端電壓低于輸入電壓時才有充電電流流過，以至于在電源端產生尖峰充電電流，此電流即為諧波源，對電網環境造成污染。電流內環控制電路開始工作后，輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數得到很大提升。

通過對Sepic拓撲的LED驅動電源進行的設計和仿真，證明基于滯環電流控制的APFC［7］電路可減小輸入諧波電流對交流電網的污染，提高功率因數。在輸出用外環電流截至負反饋控制，使得輸出電流穩定在設計的范圍內。提高功率因數是當今國內外研究的重要課題，把PFC技術應用到新型電源中成為新一代電源的標志之一。