TELKOM NIKA , Vol.14, No .4, Dece mbe r  2016, pp. 12 63~126 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i4.3966    1263      Re cei v ed Ma y 10, 201 6; Revi sed  No ve m ber 5, 2016 ; Accepte d  Novem b e r  23, 2016   Design of Single-Stage Flyback PFC Converter for LED  Driver      Wang Qi* Wu Jie, Baohu a-La ng   Schoo l of Elect r onic Informati on Eng i n eeri n g ,  Xi’a n T e chnol ogic a l Un iversit y , Xi’ a n , Chin a   *Corres p p o n d i ng auth o r, e-mail: 10 07 161 09 7@q q .com       A b st r a ct   A lig ht e m ittin g  di od e (LED)  driver  bas ed  on si ng le-sta ge p o w e r factor correcti on ( P F C ) i s   prese n ted  in t h is p a p e r. T he des ig ned  L E D driv er  usi ng flyb ack top o lo gy can  ach i eve  pow er fa ctor   correctio n a nd  constant-curr e nt drive  LE D i n  bo und ary co n ductio n   mo de.  T he circu i t pri n ciple  is  descri b ed  in  detai l, the  fo rmu l as f o r MO S sw itch-on ti me, sw it ch ing  frequ ency  an d t he  main  i m pac t factor of  pow er   factor are  pr op osed. T h exp e ri ment  resu lts show  th at the  des ign e d  LE D driv er  has  h i gh  pow er  factor ,   stable o u tput a nd it can driv the LED w i th hi gh efficie n cy.    Ke y w ords : flyback, pow er factor correction,  boun dary co n ductio n  mod e     Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Light Emittin g  Di ode  (LE D ) called  “g reen li ghting  is th solid  illumina nt with many   advantag es,  su ch  as sm al l si ze, hi gh e fficiency,  lo n g  lifetime a n d  no  poi son   mercury  co ntent  comp ared wit h  the co nvent ional fluo re scent lamp.  The  Powe r Fa cto r  Co rrectio n  (PFC) h a be en   widely  used t o  a c hieve  lo w Total  Ha rmo n ic  Di stor tion   (THD) a nd  high Po we r F a ctor (PF )  in  L E driving po we r.    Many co nvert e r topol ogie s  can b e  u s ed  to  drive the  LED st ring, such a s  b o o s t, buck- boost, SEPIC, flyback, half bridge  converter and forward converte r [1-4]. The flyback convert e is the most  comm only used topology for low p o we r offline application s , espe cially whe n  the   isolatio n is n e ce ssary. LE D lig hts  drive  by a  co n s ta nt cu rrent  ca n be  con s ide r ed  as  a  con s tant   power loa d , and  can  wo rk  steadily  at lo wer b and wi dt h. So when  the o u tput po wer is le ss t h an   100 W, the flyback convert e r is a be tter s o lution for the LED driver.   The flyback conve r ter  can  ope rate  in contin u ous  co ndu ct ion mod e  (CCM ),  discontin uou s cond uctio n   mode (DCM) and  bou nda ry condu ction  mode (B CM ). The CCM a n d   DCM  op erati on mo de s for LED l a mp  a pplication s  h a ve be en di scu s sed i n  se veral p ape rs  [5-9].  In the DCM  operation m o de, the  singl e-sta ge flyb a ck P F co nverter  ca n e a sily achieve  u n ity  power facto r , however, the con d u c tion lo ss, current  stress, and voltage stress on  the switch  wi ll  signifi cantly i n crea se. Th e r efore, for hi gh po we r a p p licatio ns, th e co ntinuo us cu rre nt mo de  (CCM) is sug geste d to  ach i eve high er ef ficien cy  an d h i gher po we r f a ctor,  but the   control i s  m o re   compl e x, and sometim e s poor  stability. In the BC M operation mode, the out put  rectifier diode of  the flyback  conve r ter  wo rks un de r th e Zero  Cu rre n t Switchin g  (ZCS ), thus improvin g the  conve r si on  ef ficien cy of th e conve r ter. Mean while , the power fact or co rrectio n  can be a c hi e v ed   easily d ue to  the linea r rel a tionship b e twee n t he ave r age i nput  cu rre nt and th input voltage.  A  large i nput  filter use d  for elimin atin g the  cu rre n t harmo nics in the DCM converte r is  unne ce ssary.    This p ape r p r opo se s a si n g le-stage  sin g le  LED  po wer supply  circuit. It adopts  a flyback   conve r ter  whi c h o perates i n  bou nda ry condu cti on m o de (B CM). Th e pro p o s ed  ci rcuit i s  comp act   and mini mizes the  circui t compo nent s. The  adva n tage s of u s ing flyback  converte r in t he  prop osed ci rcuit topology will be discu s sed a nd t he operating pri n cipl es  will be given in detail s .   The fea s ibilit y and pe rformance of the  prop osed  ci rcuit will al so  be verified th rough a l abo ratory  prototype.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1263 – 126 8   1264 2. Principle  analy s is   Figure 1  is  a flyback LE D d r iver po wer  su pply  c i rc uit. Ass u me that the input  line  voltage  is the  ideal  sin u soi dal wave a n d  the re ctif ier bridg e   is the  ideal  re ctifier bridg e so  th e   input voltage  after re ctifier  bridg e  ca n be  expresse d a s   v( ) s i n ( 2 ) in pk L tv f t                                                (1)    Whe r e,  pk V is the peak valu e o f  the line voltage, and  L f is the freque ncy o f  the line voltage.       Figure 1. LED drive r  ba se d on Si ngle - Stage Flyback  PFC Co nvert e     By adjusting  the  para m ete r s of R5,  R11   and C4   in th e cont rol ci rcuit,  the band width of   the control loop is lower than the  freque ncy of  the line voltage,  so  tha t  in  half powe freque ncy  cy cle,  the o u tpu t  of the e rro r amplifie r (E A-out)  in th controlle r U1  is  con s tant.  The  pea k cu rre nt  of the transform er p r im ary side i s  prop ortio nal to the line voltage after  the  rectification, and the ori g in al side p e a k  cu rrent is a si n e  curve[1 0 ], expresse d as:     () s i n ( 2 ) pk pk L it i f t                                                (2)    Assu ming  th turns  ratio  of the tran sfo r mer i s   n the efficien cy  is 1   and the  wind ing i s   tightly couple d , so the pea k cu rrent  of the transf o rme r  second ary is:    () ( ) pk s p k it n i t                                                             (3)     The turn -on t i me of the swi t ch Q1 is give n as:     () s i n ( 2 ) () s i n ( 2 ) p p k p pk L p pk on in p k L p k Li t L i f t L i T vt v f t v                       (4)    Whe r e,  p L  is the indu ctan ce  of the transfo rmer p r ima r y side. It can b e  see n  from  Equation (4)  that the turn-on time of the switching i s  fixed  unde r the con d ition of  a certain in p u t voltage an load.   The turn -off time of the swi t ch Q1 is give n as:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       De sign of Sin g le-Stag e  Flyback PFC  Co nve r ter fo r LED Dri v e r  (Wa ng Qi)  1265 2 () ( / ) ( ) si n ( 2 ) () sp k s p p k of f of of pp k L of L it L n n i t T vv vv Li f t nv v                                              (5)    Whe r e,  s L  is the indu ctan ce  of the transfo rmer  se con d a r y side,  o v  is the output voltage of the  conve r ter, an f v  is the positi v e voltage drop of the outp u t diode 4 D .   If the circuit i s  workin g in  boun dary  co ndu ction m o d e , then the  switchi ng p e ri od of th e   s w it c h  is  the  s u m of the turn-on time and the turn-off time, i.e. on of f TT T , so the duty ratio is:      1 sin ( 2 ) 1 () on pk L of T D vf t T nv v                                            (6)    The switchi n g  frequen cy is:     1 1s i n ( 2 ) () pk s pk pp k L of v f T v Li f t nv v                              (7)    It is ob se rve d  that the  switchi ng freq uen cy chang es  with the  i nput voltage.  Wh en   sin( 2 ) L f t  =0, the m a ximum switchi ng freq uen cy  can  be o b tained  nea rby  the ze ro   cro s sing p o in t of the line voltage.     (max ) pk s pp k v f Li                                                             (8)    Whe n   sin( 2 ) L f t  =1, the  minimum  switching f r eq ue ncy can  be g e t at the pe a k  of the  line   voltage.  (m in ) 1 () pk s pk pp k of v f v Li nv v                                                (9)    In the c a s e   of high input voltage and light  load, the tur n - o n time  of the sw itc h   w ill  become very sho r t from Equation (4 ). Th e minimum  tu rn-on time is influen ced by  the controll e r   U1  and  the  turn -off del ay  of the  switch.  Wh en  t he tu rn-on tim e  re ach e s the  mi nimum val ue,  the  boun dary  co ndu ction mo de cannot m a intain anym o re , that is,  the ene rgy flowin g into th e   conve r ter in  each  work cy cle i s   greater than th at th e loa d  n eed e d . The  controller  U1   skip s   a   numbe r of switching p e rio d s  by cont rol loop to  make the input an d output ene rgy  balan ced.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1263 – 126 8   1266     Figure 2. LED po wer d r iv er cu rrent wa vefo rms in th e boun dary condu ction o p e ration m ode        It is seen fro m  Figure 2. t hat in the bou ndary cond uction mode, th e curre n t wav e form of  the pri m ary  side in  turn -o n  co urse i s  t h e trian gula r   wave  and  th e average  cu rre nt value  of  the   prima r y side i s  half of the peak  curre n t, so  the averag e  current value  can be o b tai ned a s   si n ( 2 ) 1 () ( ) 22 1 s i n ( 2 ) pk L in p k L i ft it i t D K ft                                 (10)  whe r e,  () pk of v k nv v   is the ratio of the pea k voltage  to the reflected voltage of the   se con dary  si de. Th sma ller  k  is, th close r  to  the i deal  sin u soid al wave  () in it  is  and th highe r the po wer fa ctor i s . So theoreti c al ly, the  flyback topology ca n  achieve hi gh  powe r  facto r Like wi se, accordin g to the curre n t relatio n shi p  betwee n  the prima r y side a nd seconda ry  side, we ca n derive the current of the se con dary si de  as:     2 si n ( 2 ) 1 () () ( 1 ) 22 1 s i n ( 2 ) pk s L op k s L i ft it i t D Kf t                            (11)     Whe r e,  pk s i  is the pea k cu rren t of the secon dary sid e     3. Experimental Re sults  Analy s is   The m a in  ind i cators of the  ci rcuit a r a s  follo ws: in p u t voltage  ra nge: 9 0   27 0 VAC;   output voltag e: 26V ~36V;  output  curre n t: 3.2A;  out put po we r: 1 00W;  co nversion  efficie n cy:  86%.   The main p a rameters of the comp one nts are gi ven as  follows . The material is  P C 40, the  magneti c  co re is PQ32/25,  the turns  of the prim ary wi nding i s  27, the turn s of the  second ary  windi ng is 10,  the switch is  17N80 C3, the output  re ctifier diod e is S c hottky dio d e  10CT Q 150,  and the outp u t  capa citor is  three capa cit o rs of 1 000u F in parall e l.       (a) Input c u rrent waveform  with 90V inpu t voltage    (b) Input c u rrent waveform  with 220V inp u t voltage    (c) Input cu rrent waveform   with 270V inp u t voltage    Figure 3.   Input current (2A/div, 4ms/div) and input vol t age(2 50V/di v , 4ms/div)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       De sign of Sin g le-Stag e  Flyback PFC  Co nve r ter fo r LED Dri v e r  (Wa ng Qi)  1267 60 80 1 0 0 1 20 1 4 0 1 60 1 8 0 2 00 2 2 0 2 4 0 26 0 2 8 0 0. 97 0 0. 97 5 0. 98 0 0. 98 5 0. 99 0 0. 99 5 1. 00 0 In pu t Vo l t age (V ) Power F a c t or     Figure 4.   Rel a tionship curve betwee n  i nput voltage  and po we r factor      Figure 3. is the input cu rrent waveform meas u r e d  with different  input voltages (9 0 V,  220V a nd  27 0V) a nd the   output lo ade d with  100   W.  Cl early, t he inp u t current is clo s e  to the  stand ard  si nu soid al wave a nd the  mea s u r ed  po wer factor is g r eate r   than 0.9 6 .   The relation sh i p   betwe en  the i nput voltage  and  the mea s ured  p o wer f a ctor  i s  sho w n in Figure 4. It can be se en  that the power facto r  dec reases a s  the  input voltage increa se s,   but the  value  is always la rger  than 0.96. Th is is  con s iste nt with the co nclu sio n  from  Equation (1 0 ) , the lowe r the input volta g e   is, the smalle r the coeffi cie n t k of the Equation (1 0) i s , and then the  closer the po wer fa ctor i s  to   1.           60 80 10 0 1 2 0 14 0 1 60 1 8 0 2 00 2 2 0 2 40 2 6 0 2 80 86 .5 87 .0 87 .5 88 .0 88 .5 89 .0 89 .5 90 .0 90 .5 I npu t  V o l t age   (V) Eff i ciency  (%)   Figure 5.   Output curre n t (1 A/div, 4ms/div)  Figur e 6. Rel a tionship curve betwee n  input  voltage and e fficiency       Figure 5 sho w s th e outpu t current waveform  when t he input volt age i s  220V  and th e   output i s  full-l oad. It can b e  seen th at the o u tput  current i s   con s ta nt at 3.2 A, t he ri pple  current   pea k is 150   mA, the outp u t cu rre nt rip p le is 4. 7%,  and the  outp u t cu rre nt is  sup e rim p o s e d  with   the rip p le  cu rrent  who s e  freque ncy i s  2   times of th mains fre que ncy (abo ut 1 00HZ ) . Imp r o v ing   the  wo rking speed of  the control  l oop  a nd in crea sing  the capa cita nce  of the i n p u t ca pacito r   can  redu ce  the  o u tput ri pple,  but would  re duce the  p o w er fa ctor of  the ci rcuit. O n  the  othe h and,  increa sing  th e capa citan c e of the  outp u t ca pa citor  (su c as multi p le  capa cito rs in  pa rallel )   can  also redu ce  the output ri pple, but  wo uld increa se  the cost of   the circuit. Therefore,  it is  necessa ry to balan ce the o u tput  ripple, the po wer fa ctor and the  co st whe n  de sig n ing a ci rcuit.  Figure 6.  is the m e a s u r ed  relation sh ip  curve  bet wee n  the  in put voltage   and th e   efficien cy. It is cle a r that in the input voltage of  90-270V, the efficien cy with full-loa d  outpu t is  over 88%. When the input voltage is  22 0 V, the efficiency is mo re  than 90%, so the circuit wo rks  with high efficiency.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1263 – 126 8   1268 4. Conclusio n   A high  po wer factor si ngle - stage  flyback co nverte r for LED li ghting  appli c ation  h a bee n   studied in thi s  paper. The stability of t he fl yback topology  operat ing  in boundary  conducti on  mode  wa s a nalyze d  in d e tails. Ba sed  on the s an alyse s , a p r o t otype of 10 0W flyba c k L E driving po we r has bee n de sign ed and te sted. The ex p e rime ntal re sults sh ow tha t  the LED drive  power  su pply  with fe we compon ents a nd lo we r di ssi pation  ca n a c hieve p o we r f a ctor  corre c tion  and  con s tant  curre n t co ntrol of LED. When the in put   voltage  is 22 0V, the powe r   factor i s  g r e a ter  than 0.97 an d the conve r sion efficien cy  is more  than 90%,  thus it has great pra c tical appli c ati o n   values.       Ackn o w l e dg ements   The wo rk de scrib ed in this  pape r is supp ort ed in pa rt by the key industry p r obl e m  plan  of Shaanxi Province Ind u st ry Scien c e an d Tech nolo g y under g r a n t 2016 GY-0 74.       Referen ces   [1]  M Orabi, T  Ninomiy a.  A un ified desi gn of  singl e-stag e a nd tw o-stage  PF C converter . IEEE 34t Annu al Po w e Electron ics Sp ecial i st C onfer ence (PESC '0 3). 2003; 4: 17 20-1 725.   [2]  SY Chae, BC  Hy un, P A gar w a l, WS Kim,  BH Cho.  Di gita l Pred ictive F e ed-F o rw ard C o ntroll er for a   DC-DC C onv er ter in Plas ma Displ ay Pa nel T w e n t y  S e co n d  Ann ual IEEE  Appli ed Po w e r Electronics   Confer ence (A PEC 200 7). 20 07: 894- 89 8.  [3]  Mallis etti Rajes h  Kumar, Durais a m y  L eni n e , Ch  Sai  Babu.  A variab le s w it chin g frequ enc w i th  boost p o w e r   factor   correctio n   conv erter.  TELKOMNIKA  T e leco mmunic a tion C o mputi n g Electron ics a nd Co ntrol . 20 11; 9(1): 47-5 4 .   [4]  M Derkao ui, A Hamid, T  Lebe y, R Melati. De sign  a nd mo de ling  of an inte g r ated micro-tra n sformer in   a fl yback c onv erter.  TELKOMNIKA Teleco mmu n icati on  Co mp uting E l e c tronics a nd C ontrol . 20 13;  11(4): 66 9-6 8 2 .   [5]  L Yu-Kan g, L Jing-Y uan, W  Cha o -F u, L Chie n-Yu.  Analy s is and d e sig n  of a dual- m ode flyb ac k   converter . 2010 IEEE International Conference on Sust ainable Energy  T e chnologies. 2010: 1-3.  [6]  T z uen-Lih  Che r n, Li-Hs i an g L i u, Su-H on g Y eh, Yu- Lun  Ch ern, Der-M in T s a y S i ng le-sta ge flyb ac k   converter  for  LED  driver  w i th i nductor  vo ltage  det ection   pow er factor c o rrectio n . 2 010  5 t h IEEE  Confer ence  on  Industrial El ec tronics an d Ap plicati ons is. 20 10: 208 2-2 087.   [7]  Hao Ma, Y ue  Ji, Ye Xu. Des i gn  and A nal ysis of Sing le-S tage Po w e r F a ctor Correcti o n Conv erter   W i th a F eedba ck W i ndin g IEEE Transactions on power electronics . 20 10 ; 25(1): 146 0-1 470.   [8]  Sang  Che o l M oon, G w a n -Bo n  Koo, Gun-W oo Mo on.  An  interl eave d  si n g le-sta ge flyb a ck AC-DC   converter w i th  w i de outp u t po w e range f o r outdo or LE D li ghtin g syste m . Appl ied  Po w e r Electron ic s   Confer ence  an d Expositi on (A PEC), 2012 T w ent y - Seve nth  Annu al IEEE. 2012: 82 3-8 30.   [9]  Sang  Ch eo l M oon, G w a n -B o n  Ko o, Gun-W oo M oon.  A N e w   Contro l M e thod  of Interl e a ved  Sin g l e - Stage F l yb ack  AC–DC  Co nve r ter for Outdoo r LED L i g h ting  S y stems.  IEE E  T r ansactio n s  on   Po we Electron ics . 20 13; 28: 40 51-4 062.   [10]  Z uen-L i h C her n, Hua ng T s un g-Mou, W en-Y uen W u , W h ei- M in L i n,  Gua n - Sh yon g  H w a n g Desi gn of   LED driv er circuits w i th single - stage PF C in  CCM an d DC M . Industrial El ectronics a nd  Appl icatio ns   (ICIEA). 2011 6th IEEE Conf erenc e on. 20 1 1 : 2358- 23 63.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.