基于MP4021的LED照明驱动电源设计

　　摘要：分析了单级反激高功率因数发光二极管(LED)照明驱动电源控制芯片MP4021的工作原理，通过与传统的L6562+恒流反馈芯片方案进行对比可知，MP4021控制的LED驱动电源具有高功率因数和低成本优势，并设计出一种基于MP4021的高功率因数LED驱动电源电路。详细介绍了芯片内部的功率因数校正(PFC)电路原理和主要的参数设计，并经过实验验证该电源电路能实现较高的功率因数，且能高效稳定地运行。

　　1 引言

　　近年来，随着性的环境污染和能源短缺问题的日益突出，人类对于环保以及怎样充分利用能源的意识越来越强。LED以其高效节能、无汞毒害、寿命长、尺寸小等优点推动照明领域进入了一个新纪元。同时LED也因半导体工业的成本降低而受益，使得LED驱动电路的研究成为热点。MP4021是一款专门针对LED设计的电源驱动芯片，它集成PFC，与传统应用于PFC电路的控制芯片L6562相比，既能满足LED亮度调节的要求，又能实现PFC。

　　在此设计了一款基于MP4021芯片的LED驱动电源电路，该电源电路为单级PFC电路，相对于两级PFC电路，所用器件少，成本低，损耗低，

　　尺寸小，适用于中小功率LED照明，具有高性价比和高可靠性。经过实验证明基于MP4021芯片的LED驱动电源具有很高的实用性。

　　2 原理与设计

　　所设计的驱动电源电路主要分为电磁干扰(EMI)滤波电路、PFC电路、DC/DC变换器3部分。电路中采用MP4021作为电源驱动芯片，使用反激变换器来实现DC/DC转换。该电路不仅可实现高功率因数，而且还能很好地将前级与后级隔离，是一款效率较高的实用型电路。

　　2.1 电源驱动芯片介绍

　　目前市场上应用于PFC电路普遍的芯片是L6562，很多工程师设计的驱动电源是结合L6562和Boost拓扑结构来实现PFC。而MP4021是一款专门针对LED驱动设计的芯片，集成PFC，只需简单的外围电路设计即可实现对输出电流的控制和高功率因数。L6562的引脚、应用电路的工作原理以及实验波形详见文献。

　　2.1.1 MP4021芯片说明

　　MP4021专门针对LED而设计，集成PFC，功率因数很高。工作在临界导通模式，降低了开关管的开关损耗;省去光耦和相关电路，降低了成本;采用独特的开关管控制技术，对开关管和快恢复二极管的要求大大降低，与一些必须选择昂贵开关管和二极管的方案相比，能进一步节省成本;效率在80%以上、全电压输入，电流在1.5%内。MP4021采用SOIC8封装，芯片引脚有：引脚1为内部乘法器输入引脚MULT;引脚2为零电流检测引脚ZCD;引脚3为电源电压引脚VCC;引脚4为栅极驱动引脚GATE;引脚5为电流检测引脚CS;引脚6为接地引脚GND;引脚7为反馈信号引脚FB，给该引脚悬空(NC)以实现初级控制;引脚8为环路补偿引脚COMP。

　　2.1.2 MP4021与L6562的比较

　　L6562是实现PFC的控制器，要想达到要求还需设计复杂的外围电路，而MP4021是一款内置PFC的芯片。与L6562相比，MP4021可实现真正的电流控制，无需二次反馈电路;功率因数不小于0.9，超过了通用输入电压;还可实现短路保护及过温保护。未来几年内，MP4021等单级高功率因数控制芯片必将会凭借其独特优势占据LED驱动电源的市场，成为主流芯片。

　　2.2 功率因数校正电路

　　2.2.1 功率因数校正原理

　　传统电源电路是采用桥式整流和在整流桥后加一个大容量滤波电解电容组成的电容输入型电路，其功率因数较低，一般在0.55～0.65。由于桥式整流和电容滤波电路处理后的电流含有丰富的谐波，导致电流波形严重失真，如图1所示，线路功率因数严重下降。为提高功率因数，降低电网谐波污染，提高电网输送能力，必须采用PFC。

　　PFC实际上是对输入电流整形使其尽可能正弦化，同时改善电源系统的输入阻抗，使之尽量呈电阻性，达到基波电流与电压同频同相。

　　2.2.2 芯片内置功率因数校正原理

　　内置的PFC电路，使初级电感绕组工作在临界电流模式，图2为临界模式下的工作原理波形。

     下面推导PFC的工作原理。开关管导通时，变压器初级线圈电感Lp上的压降等于整流后的输入电压Uin，即：

       式中：△i为电感电流的变化值;Ton为开关管导通时间。

      由式(1)可得：

　　芯片引脚1对输入线电压进行采样，作为芯片内部乘法器的一个输入端，该引脚连接到从整流后线电压到地之间的电阻分压器的抽头，乘法器输出的信号将是一个与输入电压同频同相的正弦半波信号uref，该正弦信号为变压器初级峰值电流IL提供了参考信号。开关管的电流通过感测电阻器RCS，产生的电压uCS与uref比较以确定开关管的关断时刻。由于误差放大器的频带宽度取得较低，所以稳态时Ton保持恒定。当外部开关管关断时，IL不能突变，反激变换器将初级的能量向次级传递，存储在电感中的能量强迫次级二极管导通，然后电感电流开始从峰值线性减少到零。因此，△i总是等于其峰值大小ipk(t)，如图2所示。在临界电流模式时，开关管一个开关周期内，Ton和关断时间Toff分别为：

   式中：Ls为线圈次级电感，Ls=Lp/N2，N为变压器初、次级匝数比;Uo为输出电压。

    由于电感电流与输入电流iin(t)相同，可得电感电流瞬时平均值iav(t)与ipk(t)的关系为：

　　由式(4)可知iav(t)与ipk(t)成正比，由此实现IL的变化波形能很好地自动跟踪输入电压波形，达到PFC的目的。

　　2.3 基于MP4021的电源电路设计

　　2.3.1 电路设计原理

　　鉴于MP4021芯片的优越性能，设计了一款基于MP4021的LED驱动电源电路，如图3所示。主电路在整流桥前端加一个电源滤波电路，以有效抑制来自电网的噪声，同时满足电源产品电磁兼容性的要求。接通电源后，来自电网的交流电压经过滤波器然后进行全桥整流，整流输出的是正弦半波直流脉动电压，且电流波形中含有丰富的谐波。所设计的驱动电源电路采用MP4021作为驱动电源芯片，与传统采用L6562+恒流芯片的方案相比具备系统成本优势，外围电路也更简单。初，芯片引脚3通过启动电阻R1充电，当电压达到12  V时，逻辑控制电路工作且栅极驱动信号开始切换，然后正常工作时芯片由辅助绕组继续供电。芯片引脚4输出PWM脉冲来控制MOSFET的通断。当MOSFET导通时，初级电感电流线性增加，流经RCS，通过引脚5与正弦参考电压进行比较，当uCS达到正弦幅值时，MOSFET关断。当MOSFET关断时，初级电感的极性就会翻转，初级储存的能量通过次级绕组和二极管整流，并经滤波电容，然后为LED供电。

　　MP4021可控制来自初级的次级电流，通过采样电阻将初级的电流信号转化为电压信号，然后将其反馈到芯片的内部，调整对MOSFET栅极的脉冲占空比来实现恒流控制。

　　2.3.2 主要参数设计

　　实际实验时，搭建了一款基于MP4021的8 WLED灯泡电源驱动器，输入电压范围：85～265 V，输出LED电压Uo=16 V，电流Io=0.5  A，功率Po=8 W。以下给出部分重要参数的计算和选择方法。

　　①匝数比N、初级MOSFET和次级整流二极管的选择：由典型初级MOSFET的漏源电压和次级整流二极管的电压波形可知，初级MOSFET漏源额定电压为：

　　根据式(5)和式(6)，选择N=6，这样650 V或700 V的MOSFET和150 V或200  V的肖特基或快速恢复二极管都可使用。

　　②变压器设计：在

     时，电感电流工作频率为值，这里设置频率fs_min=45 kHz，则有：

    由此可得：Lp=2.2 mH，Ton_85V=9.86μs。

    先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积AE的乘积AP，然后根据AP值，查表找出所需磁性材料的编号。

   式中：Ipk_max为峰值电流;Ims_max为LP的有效电流;Bmax为允许的磁通密度;Ku为一个离线变压器绕组系           数;Ki为电流密度系数。

    参阅制造商的数据表来选择合适的磁芯，这里选择EFD20型铁心，其参数为：AE=0.31 cm2，AW=0.507 cm2，AP=0.157     cm4;平均每匝导线长度为5.3 cm;磁芯的相对磁导率μγ=2 400。

    为了避免磁芯饱和，定义变压器初级绕组的匝数为：