第32卷 第1期 2018年1月
湖 南 工 业 大 学 学 报Journal of Hunan University of Technology
V ol.32 No.1 Jan. 2018
doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2018.01.011
收稿日期：2017-05-20
基金项目：湖南省教育厅科研基金资助项目（16C0476，17C0475）
作者简介：韩召成（1990-），男，江苏徐州人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为现代电力电子技术与系统， E-mail ：914027210@qq ，com
LED 液晶电视电源中BOOST-PFC 的设计
韩召成，文定都，任于涵，廖雄志，湛 政
（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）
摘 要：针对传统开关电源功率因数低、电源谐波高的缺陷，提出了一种有源BOOST -PFC 电路结构。 介绍了BOOST -PFC 的工作模式、功率因数校正和电路拓扑结构的工作原理，并对电路的元器件进行了选型，采用NCP1607实现了BOOST -PFC 电路。利用提出的原理图和计算出的参数，制作了BOOST -PFC 变换器模块，并将该电路在LED 液晶电视电源中进行了试验验证。试验结果表明，其电流波形能很好地跟踪电压波形，电感上电流波形图有很好的正弦包络，且随着输入电压的增加，输出电压稳定在385 V 左右，功率因数值大于90%，最大可达99.5%，从而验证了理论分析和参数设计的正确性。 关键词：NCP1607；有源功率因数校正；BOOST -PFC ；LED 液晶电视电源
中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：1673-9833(2018)01-0060-05
Design of BOOST -PFC in LED LCTV Power Supply
HAN Zhaocheng ，WEN Dingdou ，REN Yuhan ，LIAO Xiongzhi ，ZHAN Zheng
（College of Electrical and Information Engineering ，Hunan University of Technology ，Zhuzhou Hunan 412007，China ）
Abstract ：In view of the defects of low power factor and high harmonic power exhibited by conventional switching power supply, an active BOOST -PFC circuit structure has thus been propose
d. An introduction has been made to the working principle of BOOST -PFC, power factor correction and circuit topology. A careful selection has been made of the components, thus realizing the adoption of the BOOST -PFC circuit by NCP1607. By adopting the proposed schematic diagram and the calculated parameters, the BOOST -PFC converter module has been worked out, followed by a test veri fication of the circuit in LED LCTV power supply. The test results show that the current waveform is capable of tracking the voltage waveform, with a good sine envelope exhibited by the upper current waveform of the inductor. With the increase of the input voltage, the output voltage is stabilized at about 385 V , with its power factor greater than 90%, and the maximum being 99.5%, thus verifying the validity of the theoretical analysis and parameter design.
Keywords ：NCP1607；active power factor correction ；BOOST -PFC ；LED LCTV power supply
0 引言
发光二极管（light-emitting diode ，LED ）具有节能环保、寿命长、低压安全等特点，这使得LED 背
光技术在液晶电视行业得到了广泛的应用。普通的LED 驱动电源会对电网造成谐波干扰，但可采用功率因数校正（power factor correction ，PFC ）技术抑制谐波对电网的干扰。传统的LED 液晶电视电源多
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采取无源功率因数校正，以无源因数校正电路虽然具
有电路简单、成本较低的优势，但是容易产生噪声，
校正效果远不如有源功率因数校正[1-4]。
功率因数校正电路的拓扑结构有多种，如 Boost
型、Buck型、Cuke型等。其中，电感电流连续模式
的 Boost变换器，不仅能够储存能量、抑制电磁干扰
（electromagnetic interference，EMI）噪声，并且还
具有输出功率大、电流波形失真小的优点，故在PFC
中得到了广泛的应用[5-8]。
因此，本研究根据有源功率因数校正和BOOST 变换器的优势，设计了一款以NCP1607为核心的BOO
ST-PFC电路。分析表明，所设计的电路具有效率高、结构简单以及工作性能稳定的特点。最后，在LED液晶电视电源中对此电路进行了试验验证，所得试验结果较为理想，功率因数值大于90%。
1 BOOST-PFC工作模式及功率因数1.1 BOOST-PFC电路工作模式
BOOST电感电流的波形以及开关管Q的驱动波形如图1所示。在一个开关周期内，随着工作状态的更迭，电路共有两种工作模式[9]，如图2所示。设电网输入电压为V in，则v in(t)为
v in(t)=V in sin ωt，（1）式中ω为输入电压角频率。
不控整流桥的输出电压瞬时值可表示为
，（2）式中V m为输入交流电压的幅值。
1）工作模式a（t0~t1）
t0时刻，开关管Q导通，二极管D处于反偏截止状态，如图2a所示。电流经电感和开关管形成回路，电感储能，电感L两端的电压u L可表示为
，（3）
i L 的变化率为。（4）
由式（4）可知，当开关管Q导通时，电感上的电流增大，储存能量，此时由电容C2向负载供电。
2）工作模式b（t1~t2）
t1时刻，开关管Q关断（图2b），电流经电感、二极管D和负载形成回路，电感两端电压可表示为
，（5）i L 的变化率为。（6）
式（5）（6）中，V o为负载电压。
由公式（6）可知，开关管Q关断时，电感L上的能量经过二极管D向负载供电，并向电容C2充电，电感上的电流逐渐减小。
1.2 功率因数校正原理
图3所示为功率因数校正原理图，其中V in(t)是输入电压，I L(t)是电感电流，I L, max(t)是电感电流的包络线，也就是电感的最大电流，I in(t)是输入电流[10]。
图1 Boost电感电流波形和开关管Q的驱动波形Fig. 1 Boost inductor current waveform and
switch Q driving waveform 图2 BOOST-PFC主电路各工作模式的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of the working mode in
BOOST-
PFC main circuit
a）工作模式a
b）工作模式b
校正原理
图3 功率因数校正原理图
Fig. 3
A schematic diagram of the power factor correction
韩召成，等 LED液晶电视电源中BOOST-PFC的设计
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电感上的磁链方程为
L b · I L ’max (t )=V in (t ) · T on ， （7）所以，有
。 （8）
式（7）（8）中：L b 为电感量；T on 为导通时间。
由公式（8）可知，电感电流的最大值能够跟踪输入电压。从图3可以看出，电感上的电流经过电容滤波后，得到的输入电流I in (t )能够很好地跟踪输入电压，从而实现了功率因数的校正。
2 PFC 模块电路设计及参数计算
本文基于安森美公司生产的NCP1607芯片，采用有源PFC 工作原理实现BOOST -PFC 变换器模块。2.1 NCP1607的特点与引脚功能
NCP1607是一个性能优越的功率因数控制器，该控制器在临界导通模式（critical-conduction mode ，CRM ）中工作，其启动电流小于40 mA ，工作电流仅为2.1 mA ，具有精准的基准电压，误差仅为1.6%。此外，采用传导模式，能够使输入电压在一定的范围内保证单位功率因数。此集成电路板（integrated circuit ，IC ）还可用作预-变频器在交流-直流适配
器、电子镇流器和其他中等功率离线转换器（通常高达250 W ）。
NCP1607的封装引脚形式如图4所示。芯片的1脚为内部误差放大器的反相输入端；2脚为内部误差放大器的输出端；3脚接外部定时电容；4脚为电流反馈引脚，可以限制流过开关管电流的大小；5脚可以检测到电感退磁临界导电模式操作；6脚接地；7脚是PWM 输出引脚，用于驱动高功率MOSFET 的栅极；8脚为电源引脚，当输入电压大于11 V 时，芯片可以正常工作，但是当输入电压低于8.5 V 时，芯片停止工作。
2.2 有源功率因数校正电路的设计
有源功率因数校正电路原理如图5所示。
图4 NCP1607的封装引脚形式Fig. 4 NCP1607 package pin form
so.csdn/api/v3/search?p=1&t=all&q=
图5 BOOST -PFC 的系统电路图
Fig. 5 Circuit diagram in BOOST -
PFC system
220 V 市电经过EMI 和整流桥后变换为直流电，作为BOOST -PFC 电路的输入电压。在图5中，电容C 1可以降低电流中的谐波含量；电容C 4上的电压为PFC 输出电压，此电压经过电阻R 2、R 3分压取样，输入FB 内部误差放大器的反向输入端检测，控制PWM 驱动的占空比，以实现电压的稳定输出；
电阻R s 为电流检测电阻，流经MOS 管的电流在R s 上转化为电压信号，当CS 引脚电压超过芯片内部电压时，驱动MOS 管关断。芯片的驱动引脚经R 4连接到MOS 管的栅极，R 4用来防止MOS 管的驱动信号震荡。C t 为定时电容，该电路通过将C t 电压与从调
节块导出的内部电压进行比较，以控制电源开关导通时间。芯片的V cc 由后一级变压器的辅助绕组提供。2.3 元器件参数的计算
此PFC 模块的输入电压为85~265 V ，输出电压为385 V ，输出功率为120 W ，预计功率因数大于90%，效率大于90%。
额定负载情况下，当输入的电压最小时，输入的最大电流为
。 （9）
式中：P o 为额定功率；η
为效率值。
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韩召成，等 LED 液晶电视电源中BOOST -PFC 的设计
第1期设电感电流的最大变化量为尖峰电流的20%，则最大纹波Δi 为
Δi =I in, max ×20%， （10）流过电感中的最大电流为
。 （11）
输入电感决定了工作的最低频率，输入电感越大则最低工作频率越小。根据已知参数，可求得最小开关频率不同输入电压时的电感值：
。 （12）
式中：V in, max 为最大输入电压；V PFC 为PFC 变换器输出电压；I L , pk 为峰值电流；f sw 为工作频率。
已知V PFC 的额定电压为385 V ，且正常情况下ΔV PFC =20 V ，可得
。 （13）
式中：P out 为PFC 模块输出功率；f ac 为交流电频率。
根据实际工程考虑，电容C PFC 选取规格为450 V 下的 82 μF 的电解电容。
计算电容C t 的值为
。 （14）
式中：I charge =297 μA ；V C t , max =2.9 V 。
根据实际需要，C t 取2 200 pF 。
3 实验结果
利用上述的原理图和计算出的参数，制作出了一台BOOST -PFC 变换器模块，输入电压为85~265 V ，直流输出电压为385 V 。
图6所示为额定负载下，输入电压为220 V 时，输入电压与输入电流的波形图。
从图6中可以看出，电流波形能很好地跟踪电压波形，因而实现了功率因数校正。
电源芯片输出的PWM 波形和BOOST 电感上的电流波形如图7所示。
在临界导通工作模式中，当升压电感电流刚为0时，驱动器导通，电感上的电流逐渐增大；当驱动器关断时，电感上的电流立即减小。在实际工作中，当驱动关断时，MOS 管的寄生电容还有电压，因而MOS 管关断会有延迟，所以驱动器关断时，流经电感的电流继续上升。从图7上看，PFC 电感L 上电流的波形图有很好的正弦包络，可见功率因数校正得到了实现。
在本设计中，PFC 电路输出的电压为385 V ，在对样机PFC 电路的测试中做了输入特性测试，输入电压从90 V 逐步递增到265 V ，测得的输出电压与
功率因数如表1所示。
由表1可知，随着输入电压的增加，输出电压稳定在385 V 左右，同时功率因数值均大于90%，最大时可达到99.5%。表1所示数值表明，功率因数得到了校正，并达到了预期目标。
4 结语
本论文分析了BOOST -PFC 拓扑的工作模式以及功率因数校正的原理，详细地介绍了NCP1607外围电路及其参数计算方法，并将设计的变换器运用在LED 液晶电视电源上。经过样板测试验证，所得
结果表明该系统工作稳定，达到了预期的设计效果。
本设计不仅适用于LED 液晶电视电源，同样适
图6 输入电压与输入电流波形图
Fig. 6 Input voltage versus input current wave-forms
图7 PWM 波形与BOOST 电感上电流波形图Fig. 7
Current wave-forms for PWM and BOOST inductors
表1 PFC 电路测试结果Table 1 PFC circuit test results
U in /V
0901********
U out /V 384388384388
η/%99.599.198.998.1
U in /V 210240265
U out /V 386386388
η/%96.893.990.9
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用于其他LED照明设备的驱动电源，具有很好的推广应用价值。
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