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LED燈高功率因數驅動器的設計

  • 陳毅斌
圖1 降壓結構測試波形

消費者從傳統照明轉換到LED照明是已經被認為是大勢所趨,有文章指出,LED照明相比白熾燈可以節省80%的能源,其壽命可以長至20年之久。另外,LED燈相比緊湊性節能燈,不含有對環境有害的物質,如水銀,汞等重金屬物質,也沒有像節能燈(CFL)在啟動時亮度暖燈時間長的問題,所以在全球資源緊張的大環境下,平衡與環境能源厲害關係,政策上加快往LED照明上傾斜。因為LED照明在發光原理、節能、環保的層面上都遠遠優於傳統照明產品,在大多新建設中的商業照明市場中,如酒店和商場都使用LED照明,已鮮見再有傳統照明的影子。

本文就將主要探討LED照明的驅動部分,在用常規驅動的方式下,怎樣降低輸入電流諧波,提高輸入功率因數。發達國家在照明領域裡的能源問題已非常重視,譬如歐洲能源標準EVP5和美國能源之星在這方面已明確規定,住宅照明驅動器的功率因數PF必須大於0.7、商業照明大於0.9的強制性要求。

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圖2 填谷式結構線路圖和和仿真結果

圖3 填谷降壓式結構測試波形和諧波結果

圖4 兩級主動式功率因數校正結構圖

圖5 單極功率因數調整式實驗圖和相關測試波形

圖6 單極功率因數調整線路在返激結構應用結果

表7 三種功率因數校正方式性能對比結果

降壓式LED驅動器說明

三種常用的基本電源轉換結構通常是指降壓BUCK,升壓BOOST和升降壓BOOK-BOOST結構,它們都是非隔離式的,輸入和輸出電壓共同接在同一地線上。通常設計時選擇降壓結構是基於LED上的輸出電壓總是小於輸入電壓,並且可以用非隔離式結構。在實際LED驅動器設計中,對於中、高LED電壓輸出都會採用降壓式結構,因為不僅結構簡單,而且元件成本和轉換效率上有明顯的優點,所以其應用非常廣。

降壓BUCK電路的主要運行波形圖如圖1所示,紫色通道是通過主開關管Q1的漏、源極間的電流波形,綠色通道是主開關管Q1的漏極電壓波形,藍色通道是輸入電流波形,黃色通道是輸入電壓的波形。

可以看到流過主開關管的電流平均值基本是一條水平線,主要是整流後的濾波電容(C1,C2)容量很大,其充滿後的存貯電壓足夠已在整個週期內泄放,所以輸入電壓總是會高於輸出電壓,每個週期內流過開關管的電流通過電阻R5轉換成電壓信號與晶片腳4檢測比較,一般晶片內部的電流參考腳的電平是一個固定值,當達到參考值後,主開關管就停止工作,等檢測到開關管上的最低谷底電壓時,晶片再提供開通驅動信號給主開關管柵極。所以,開關管每個週期電流大小基本一致,造成輸入線上電流(圖1中的淺藍色通道)的變化不是跟隨輸入電壓的變化而變化,所以在這種設計裡,輸入功率因數會非常低,電流諧波也很大。

填谷式LED驅動器

為了滿足能源之星和IEC(國際電子電機委員會的簡稱)相關要求,早期大多設計者採用被動填谷方式來提高輸入功率因數,大致電路結構如下圖2所示:

採用被動式填谷電路後,當輸入電壓從200V到265V內變化時,功率因數PF已經從原來的0.6提高到了0.9以上,效率也能達到92%,所以在提高功率因數的同時,效率沒有明顯的降低。圖3是輸入電壓和輸入電流的波形圖,綠色通道是輸入電壓波形,淺藍色通道是輸入電流波形,雖然功率因數提高了,但輸入電流波形還是畸變的,總諧波因數不是很好,測試資料顯示總電流諧波在38%,如圖3右側諧波測試資料所示。

主動式LED驅動器

主動式功率因數校正常規上採用兩極拓撲來實現,前級用升壓電路結構, 後級直流轉換部分用隔離反激式結構,如圖4,功率因數校正晶片用恩智浦的SSL4101控制器,運行在臨界導通模式下,琠w導通時間控制,流過電感電流與橋堆整流後的電壓成正比例關係,輸入平均電流的相位會跟隨輸入電壓,得到非常高功率因數。這種控制線路可靠度高,常在中、大功率驅動器中使用。SSL4101也集成了反激轉換控制功能,確保主開關上的寄生電容上的電壓降到最低時導通,降低開關損耗。相比填谷式結構,主動式功率因數校正設計可以達到更高功率因數和低諧波電流,輸出LED電流紋波也非常低。但是這種兩級結構的驅動設計非常複雜,元件成本也很高,一般只適合在功率大於75W以上的LED驅動器中使用。

單級功率因數校正LED驅動器

不管是用填谷方式或主動式功率因數校正技術來提高功率因數,都有其自身的缺點,如填谷式電路中需要使用大容值的高壓電解電容,造成元件成本和產品尺寸的侷限。由此產生了單級功率因數校正技術,其拓撲是將功率因數校正電路中的開關元件和後級DC-DC變換器的開關元件合併和複用,將兩部分電路合二為一。因此單級功率因數變換器有以下優點:1)開關器件數減少,主電路體積及成本可以降低;2)控制電路通常只有一個輸出回路,簡化了控制回路;3)單級變換器拓撲中部分能量可以直接傳遞到輸出側,不經過兩級變換,所以效率要高於兩級變換器。單級功率因數校正電路在中小功率LED驅動器中優勢非常明顯。

當然,單級降壓結構中的功率因數矯正的週邊線路也可以用到隔離反激式結構中,因為,在一部分LED照明中,隔離反激式結構的設計需求也是非常多的。圖6是試驗在隔離反激式結構的資料,控制晶片仍然採用恩智浦的SSL2109,從測試出來的結果看到,功率因數和諧波電流與在降壓式結構中得的結果基本相同,都能做到功率因數(PF)值大於0.9和諧波電流小於20%的性能。

總結

表7是三種功率因數校正的比較說明,功率因數和諧波性能最好的是主動式功率因數矯正反激式轉換結構,但缺點是線路複雜度和元件成本最高;填谷式功率校正結構缺點就是功率因數不夠高,諧波性能不好,元件成本雖比主動式結構低,但比單極式結構高;單級功率因數校正結構在諧波和功率因數性能上能完全滿足IEC63000-3-2的要求,其功率因數調整方式不僅結構簡單,而且週邊元件成本也最低;另一方面,在單級調整式結構中,因為橋式整流後濾波電容容量很小,一般100~200nF左右,輸出電流低頻紋波會比前面兩種結構都要大,但可通過加大輸出端電容容量來解決這個問題。

本文就LED照明驅動器的設計做了相關探討和研究,特別是解決了如何用低成本的方法獲得的高功率因數和低電流諧波性能,經過理論分析和實際實驗論證,證明出在傳統降壓式結構上改進出的單級功率因數調整式結構是可以完全達到高功率因數和低諧波的性能,也能容易地應用於LED照明驅動器的實際設計。(本圖文由台灣恩智浦半導體資深應用工程師 孫中華提供)