符合“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)的離線型LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)

隨著高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)在光輸出、能效及成本方面的全面改善，同時(shí)結(jié)合小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢(shì)，LED照明(也稱固態(tài)照明(SSL))正在掀起一場(chǎng)照明革命。而在節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)下，LED照明自然也成為眾多規(guī)范機(jī)構(gòu)所瞄準(zhǔn)的目標(biāo)。如美國(guó)能源部“能源之星”項(xiàng)目的1.1版固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)自2009年2月開始生效，中國(guó)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院也在牽頭攜手相關(guān)機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)備在2010年發(fā)布中國(guó)版本的LED照明能效標(biāo)準(zhǔn)。

就“能源之星”的新版固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)而言，這標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要特點(diǎn)是要求多種住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)最低要達(dá)到0.7，其中的一些典型產(chǎn)品有便攜式臺(tái)燈、櫥柜燈及戶外走廊燈等。這類LED照明應(yīng)用的功率一般在1到12 W間，屬于低功率應(yīng)用。這類低功率應(yīng)用最適宜的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不利的是，現(xiàn)有用于設(shè)計(jì)這些電源的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)通常使得功率因數(shù)(PF)僅在0.5至0.6的范圍。本文將分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)功率因數(shù)低的原因，探討改善功率因數(shù)的技術(shù)及解決方案，介紹相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程及分享測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)，顯示這參考設(shè)計(jì)如何輕松符合“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范對(duì)住宅LED照明應(yīng)用功率因數(shù)的要求。

設(shè)計(jì)背景
典型離線反激電源轉(zhuǎn)換器在開關(guān)穩(wěn)壓器前面采用全波橋整流器及大電容，選擇這種配置的原因是每2個(gè)線路周期內(nèi)線路功率降低，直到零，然后上升至下一個(gè)峰值。大電容作為儲(chǔ)能元件，填補(bǔ)相應(yīng)所缺失的功率，為開關(guān)穩(wěn)壓器提供更加恒定的輸入，維持電能流向負(fù)載。這種配置的功率利用率或輸入線路波形的功率因數(shù)較低。線路電流在接近電壓波形峰值的大幅度窄脈沖處消耗，引入了干擾性的高頻諧波。

業(yè)界有關(guān)無(wú)源(Passive)功率因數(shù)校正(PFC)的方案眾多，這些方案通常都使用較多的額外元器件，其中的一種方案就是谷底填谷(valley-fill)整流器，其中采用的電解電容和二極管組合增大了線路頻率導(dǎo)通角，從而改善功率因數(shù)。實(shí)際上，這個(gè)過(guò)程利用高線路電壓以低電流給串聯(lián)電容充電，然后在較低電壓時(shí)以較大電流讓電容放電給開關(guān)穩(wěn)壓器。典型應(yīng)用使用2個(gè)電容和3個(gè)二極管，而要進(jìn)一步增強(qiáng)功率因數(shù)性能，則使用3顆電容和6個(gè)二極管。

圖1：典型填谷電路。

雖然填谷整流器提高了線路電流的利用率，但并未給開關(guān)穩(wěn)壓器提供恒定的輸入。提供給負(fù)載的功率會(huì)有較大紋波，達(dá)線路電源頻率的2倍。需要指出的是，仍然需要4個(gè)二極管來(lái)對(duì)線路電源整流，使這種方案所用的二極管數(shù)量達(dá)到7個(gè)或10個(gè)。這些二極管及多個(gè)電解電容增加了方案成本，降低了可靠性，并占用了可觀的電路板面積。

另外一種方案是在反激轉(zhuǎn)換器前采用有源(Active) PFC段，如NCP1607B。這種方案提供典型性能高于0.98的優(yōu)異功率因數(shù)，但增加了元件數(shù)量、降低了效率及增加了復(fù)雜性，最適用的功率電平遠(yuǎn)高于本應(yīng)用的功率電平。

解決方案
高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電壓之間的相位差極小。修改設(shè)計(jì)的第一步就是在開關(guān)段前獲得極低的電容，從而得到更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產(chǎn)生更理想的正弦輸入電流。這樣，反激轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數(shù)就高。提供給負(fù)載的能量就是電壓與電流的乘積，是一個(gè)正弦平方(sinesquared)波形。由于這種正弦平方波形的能量傳遞，負(fù)載將遭遇線路頻率2倍的紋波，本質(zhì)上類似于填谷電路中出現(xiàn)的紋波。

如上所述，輸入電流必須保持在幾近正弦的波形，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。高功率因數(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)將反饋輸入維持在與線路頻率相關(guān)的恒定電平，不允許控制環(huán)路針對(duì)輸出紋波來(lái)校正。一種選擇是大幅增加輸出電容，從而減小120 Hz紋波量，某些應(yīng)用可能要求使用這種方案。如果頻率高于可見光感知范圍，通用照明應(yīng)用的LED更能容忍紋波。更為緊湊及廉價(jià)的方案是濾除返回至PWM轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)，確立接近恒定的電平。這個(gè)電平固定了電源開關(guān)中的最大電流。電源開關(guān)的電流由施加的瞬態(tài)輸入電壓除以變壓器初級(jí)電感再乘以電源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)確定。

安森美半導(dǎo)體的NCP1014LEDGTGEVB評(píng)估板經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，可以驅(qū)動(dòng)1到8顆大功率高亮度LED，如Cree XLAMP® XRE/XPE、Luxeon Rebel、Seoul Semiconductor ZPOWER®或OSRAM Golden Dragon。這設(shè)計(jì)基于集成了帶內(nèi)部限流功能的高壓電源開關(guān)的緊湊型固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器NCP1014構(gòu)建。由于NCP1014采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個(gè)特定點(diǎn)；這個(gè)點(diǎn)由輸入電壓及開關(guān)周期或?qū)〞r(shí)間結(jié)束前的初級(jí)電感來(lái)確定。由于導(dǎo)通時(shí)間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。相關(guān)電路圖見圖2。