【导读】随着LED应用的逐渐普及，21世纪逐步进入以LED为代表的新型固体光源时代。LED的发展离不开高功率、长寿命、低成本的驱动电源，市场上的LED驱动电源往往功率因数不达标。因此，如何提高LED驱动电源的功率因数具有很强的理论意义与现实意义。
美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25 W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。
图1：有源PFC应用电路示意图
PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。其中，在小于5 W至40 W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC(见图1)通常是作为 一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压，交流100至277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。
无源PFC技术
无源PFC技术的原理是使用电感、电容、二极管等无源器件组成滤波网络，来延长整流二极管的导通时间，使输入电流趋于正弦化，从而减少输入电流谐波含量，并且提高电路的功率因数。图2给出了一个典型的LC无源PFC电路结构图。
在图2中Lc和Cc可以实现滤除共模干扰的功能，Ld和Cd 可以实现滤除差模干扰的功能。LC无源滤波电路包括电感Lp和电容Cp，后接桥式整流电路。对Lp和Cp的取值进行合理的设计，不仅能够阻止电路产生的大量高次谐波污染电网，而且还可以减弱电网谐波对电子电路正常工作的影响。
由于这种LC无源PFC电路工作在交流线路频率（50Hz或60Hz），必须使用大而笨重的磁芯电感器，很不适应电子产品小型化和高功率密度的发展趋势，如今已很少在电器产品中使用。
图2：典型无源PFC电路
图3：填谷电路
有源PFC技术
经过不断的研究和探索，自上世纪末至今，有源PFC技术得到了空前的发展。其主要思想是：按照某种方法或者规律控制开关管的通断，将输入电流波形矫正为与输入电压波形频率相同、相位相同且非常接近正弦波的波形，以提高功率因数和抑制谐波。另一方面，要对输出电压进行监控和调节。
有源PFC技术对功率因数的提高作用显著，可以实现接近于1的高功率因数。有源PFC技术一出现，便引起了广大工程人员和学者的关注，经过多年的研究发展，已经出现了许多成熟的有源PFC电路，按照不同的分类方法可以将有源PFC电路分为多种。
按拓扑结构分类，可将有源PFC电路分为两级PFC和单级PFC电路两大类。
按电流模式分类，可将有源PFC电路分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）和临界导电断续模式（BCM或TM）三类。
按开关开通机理分类，可将有源PFC电路分为硬开关PFC和软开关PFC，软快关PFC又可以细分为串联谐振型、并联谐振型、串并联谐振型和准谐振型等软开关PFC技术。
推荐阅读：
第一讲：LED驱动电源设计的考虑要素及通用要求
http://www.cntronics.com/opto-art/80020756
第二讲：LED驱动电源拓扑结构如何选择？
http://www.cntronics.com/opto-art/80020776
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大功率LED的光控电路
由图1可知，220 V交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压，在A，B两端获得稳定的12V直流电（见图1）。在白天由于光敏电阻RG受到自然光的照射呈现低电阻，三极管VT的基极电位低，而被反偏置，因此VT截止，单向可控硅VS门极为低电平被关断，LED驱动电路未启动，所以LED不亮。到天黑时光敏电阻RG因无光照呈现高电阻，VT导通，VS的门极即有正向触发电压而导通，LED驱动电路启动，LED通电发光。
图4：LED光控电路
大功率LED的驱动电源
驱动大功率LED的主要目标是产生正向电流通过器件，比较理想的白光LED可采用MBI1802芯片来实现恒流驱动，它能抑制大功率LED正向电压改变而造成的电流波动，可实现可控的正向电流，保证提供可控的显示亮度。
由图5可知，通过稳压二极管（D6）可为MB1802芯片提供稳定的驱动电压，此时通过大功率LED的电流主要由参考电压值和MBI1802芯片工作电压来决定（见图5）。绝大多数显示器都需要多个LED，若设计人员灵活地驱动多个LED，应将所有LED串联，确保每颗LED的电流都相同。
图5：恒流驱动电路
同时，在每个LED两端并联一个齐纳管，能为LED提供开路保护。若要以并联方式驱动白光LED，每个白光LED都必须串联一个镇流电阻，为避免通过其电流出现差异，这些电阻也会消耗功率，降低电路效率，所以采用串联方式可驱动多个LED。
LED电源的温度补偿及调光电路
由于LED的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源，当LED周围温度低于安全温度点时，输出最高容许电流并保持不变；当LED周围温度高于安全温度点时，工作电流就不在安全区内， 这将导致LED的性能远低于标称数值。如果LED周围温度过高则是由LED自身发热导致，所以为了确保LED的性能、寿命不受影响，必须通过电路的温度补偿功能来解决这一问题。
图6：温度补偿及调光电路图
由图6可知。采用AVR 单片机及MBI1802芯片的工作电压为5V，通过MBI1802的一个外部电阻器Rext，可以调节输出电流的范围为40~360mA，在特定的光照下，只要不超过LED的额定电流，可随意输出电流，这样用户可以灵活的控制LED的光强度。同时，MBI1802芯片的第七脚连接AVR单片机，根据温度传感器18B20所测到温度和检测到的光敏电阻RG的阻值，AVR 单片机通过输出PWM波到MBI1802来控制其输出电流，实现LED的温度补偿，同时可以精确调节LED亮度，进而实现LED的调光功能。
恒流效果实验
如果LED的驱动未采用恒流源驱动方式，那么PN结半导体器件在正向导通后，结电压VF随环境温度上升而下降，即-2 mV/℃，称PN结的负温度效应，该特性直接影响它的发光效率、发光亮度、发光色度。例如当常温30℃时，选择LED最佳工作电流为135mA，当环境温度升到90℃，结电压VF下降，工作电流急剧增加到265~282mA；当温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从135mA 减小到27 mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不所需的照度，如图7中电流曲线I。
通过实验，利用Excel软件的图表功能进行取点绘制，得到恒流效果图（见图7）。
图7：恒流效果图
从图7中可以看出，未采用恒流方式驱动LED，其工作电流随温度的上升而上升，但采用恒流方式驱动LED，其工作电流不随温度的上升而上升，从而证明恒流方式驱动LED确实是可行的。
通过MBI1802芯片来驱动大功率LED，为其提供恒定的电流，同时达到理想的发光强度。采用AVR单片机进行温度补偿和调光控制，可提高LED寿命，实现LED照度的调节。通过取点实验表明，该方案的设计原理合理、方案可行，补偿效果明显。
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第一讲：LED驱动电源设计的考虑要素及通用要求
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第二讲：LED驱动电源拓扑结构如何选择？
http://www.cntronics.com/opto-art/80020776
