降低LED照明开关电源待机功耗方法的探讨-电子技术方案|电路图讲解
介绍
与普通光源相比，LED灯具有效率高、环保和使用寿命长的特性，因而它们正在成为降低室内和外部照明能耗的主选解决方案。设计用于照明供电的开关电源也应该具有高效率，以便顺应LED灯的节能特性。除了在正常工作过程中具有高功率转换效率之外，开关电源的待机功耗也成为LED业界的普遍关注焦点。在 不远的将来，待机功耗有望调整到1W甚至300mW以下。然而，在LED照明应用中，专用于待机电源的辅助功率级并不适用，主要是因为照明应用在工作期间 不存在待机条件。但是，为灯泡供电的开关电源即便在没有灯或者灯已损坏的条件下仍然与电网连接并吸取能量。这是在照明应用中关心待机功率水平的主要原因。
在空的办公楼中，待机功耗特性不良的照明系统是不环保的，本文探讨如何引入简单的辅助电路来降低待机功耗。所提议的电路能够实现功率因数校正 （PFC）级的间歇工作，该PFC级是降低照明开关电源的待机功耗所必需的。为了评估所提议的电路，我们设计了一个额定功率为120W的两级开关电源，在 宽泛的输入电压范围下可以获得低于1W的待机功耗。
两级配置
由于额定功率的原因和改善功率因数的需求，LED街灯的 开关电源通常使用两级配置，它由第一级的PFC模块和第二级的下游DC-DC转换器构成。在100W左右的中等功率范围，临界导通模式（CRM）是PFC 级合适的控制方案。在这个额定功率范围中，下游DC-DC转换器通常采用准谐振反激拓扑。高度集成的FAN6300脉宽调制（PWM）控制器具有一个内部 波谷电压检测器，能够保证电源系统在宽泛的线路电压范围内工作于准谐振状态，并减小开关损 耗，使功率MOSFET漏极上的开关电压最小化。为了最大限度减小待机功耗和改善轻负载效率，专有的绿色模式功能提供关断时间（off-time）调制， 以便降低开关频率，并执行延长的波谷电压开关，保证MOSFET在关断时漏-源电压保持在最低水平。使用这项特性，第二DC-DC级在无负载条件下进入间 歇工作模式，能够获得非常理想的待机功耗特性。大多数现有的PFC控制器并无间歇工作功能，主要是因为PFC级最初针对消费应用和显示器应用，而在那些应 用中为PFC和DC-DC级提供电压源的辅助电源是分离的。在LED照明应用中，通常不采用辅助功率级，因此，应该关断PFC级，否则待机功耗无法低于 1W.
PFC级的间歇工作模式
在两级开关电源中，应关断PFC级，以满足待机功耗法规的要求。关断PFC级的主要原因是大多数PFC控制器没有间歇工作（Burst- operation）特性。如果PFC控制器不支持间歇工作模式，PFC级将会连续工作，即便在无负载条件下也会吸取能量。因此，对于带有现有PFC控制 器的两级开关电源设计而言，关断PFC级是唯一可行的方法。但是，在重新启动PFC级时会出现大的冲击电流，并导致MOSFET等功率开关上电压或电流应 力的增加。此外，还会导致LED灯在恒流工作期间出现闪烁。业界需要找到一种新途径来满足待机功耗法规要求，同时避免上述问题。解决完全关断PFC级带来 的这些副作用的一个可行方法是PFC级采用间歇工作方式。
建议使用一种简单的辅助电路，将PFC的工作与准谐振反激DC-DC转换器进行同步，因为当DC-DC转换器开始间歇工作时，PFC级也能够进 入间歇工作模式。一旦第二级反激转换器结束间歇模式工作，PFC级会立即退出间歇工作模式。图1为该辅助电路的工作原理。PFC级的偏置电源受到准谐振反 激DC-DC转换器反馈的控制。
图1:建议的实现PFC级间歇工作的电路
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1.电容的结构和特性
给导体加电位，导体就带上电荷。但对于相同的电位，导体容纳电荷的数量却因它本身结构的不同而不同。导体能够容纳电荷的能力称为电容。 通常，某导体容纳的电荷Q（库仑）与它的电位V（伏特，相对于大地）成正比，即有
， 所以
，C就是该导体的电容量。电容的单位是法拉（F）， 
。
图1 电容器的结构和符号
如图1（a）所示，在两块平行的金属板之间插入绝缘介质，且引出电极就成为了电容器。它的电路符号见图1（b）所示，分别为有极性电容和无极性电容。
若给电容器充电，电容器的两极板上就会积累电荷。如图2（a）所示为给电容量为C的电容器以恒定电流强 度I充电示意图。假设电容器初始不带电荷，即它两端的初始电压等于零。我们回忆电流的定义：电荷在导体内流动形成了电流，单位时间内流过导体横截面的电荷 量称为电流强度，即有
，则
，又因在电容器中有
，故
，所以
。
即电容量为C的电容器在恒定电流强度I的作用下，两端电压V随时间t线性上升，上升曲线如图2（b）所示。
图2 给电容器恒流充电
电容器两端的电压越高则所容纳的电荷就越多，即储能就越大。但电容器两极板间绝缘介质的耐电强度是有限的，若两极板间的电场强度太高，就可能将绝缘介质击穿，从而使电容器短路。因此在应用中要兼顾电容器的耐压。
结论：电容器在电路中有容纳电荷的作用，也即存储能量的作用。电容器存储能量是需要时间的，因此电容器两端电压不能突变。且电容量越大，可存储的能量就越多。电容器最重的两个参数是它的电容量和耐压。
2。RC充放电回路
图3（a）所示电路是以一个RC充放电回路示意图。假设电容器两端的初始电压为零，开关K与1端接通的瞬间，电源通过电阻R对电容器充电，此时电容器的充电电流为最大E/R，若持续以这个电流充电，则VC的上升曲线是一条线性的直线，如图3（b）中的虚线所示。
图3 RC充放电回路
但是因在整个充电过程中充电电流为
，故随着VC的上升，充电电流强度IC逐渐减小，则VC上升的幅度也逐渐变小，直到上升至电源电压E，同时充电电流为0。这样使实际的VC上升曲线如图3（b）所示。VC是按指数规律上升的，它随时间t变化的表达式为：
其中，
为时间常数。
可以看出串联电阻R越大，充电电流就越小，则充电时间就越长；电容量C越大，所需要的电荷就越多（即储能越多），充电时间也就越长。
当电容充满电后，VC等于E。此时开关K与2端接通，则电容器通过R放电，放电电流为
，VC逐渐降低。在接通2端的瞬间，放电电流为最大
，但随着VC的降低，放电电流也逐渐降低，直至VC为0V，放电电流也为0。这样以来，电容放电时VC的下降曲线如图1.7（c）所示。VC也是按指数规律下降的，它随时间t变化的表达式为：
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