離線高功率因數(shù)TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器設(shè)計

　針對固態(tài)照明的能效規(guī)范要求

　　為了促進節(jié)能,世界各地的政府機構(gòu)或規(guī)范組織制定了不同LED照明規(guī)范,主要體現(xiàn)在對功率 因數(shù)(PF)的要求方面。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)規(guī)定了功率大于25 W照明應用的總諧波失真性能,某些地區(qū)的其它國際標準也適用這規(guī)定。

　　另外,美國能源部制定及發(fā)布了針對固態(tài)照明燈具的“能源之星”標準。這項自愿性標準包含針對常見住宅和商業(yè)照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺燈)的系列要求,涵蓋最低流明輸出、總體光效、可靠性目標、光色溫 及一系列其它關(guān)鍵系統(tǒng)級要求。值得注意的是,這個標準中并不直接包含電源 能效要求,但包含功率因數(shù)要求,即不論是何種功率等級,住宅應用要求的PF大于0.7,商業(yè)應用要求的PF大于0.9,而集成LED燈 光的要求是PF大于0.7。

　　當然,并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數(shù),但某些應用可能有這方面的要求。例如,公用事業(yè)機構(gòu)可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應用。此外,公用事業(yè)機構(gòu)擁有/維護街燈時,他們可以根據(jù)自己的意愿,來決定是否要求產(chǎn)品擁有高功率因數(shù)(通常大于0.95+)。

　　13 W LED嵌燈 設(shè)計示例

　　1、參照代用標準確立最大負載設(shè)計目標

　　以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標準為例,這標準包含決定燈具光效的總體性要求;實際上,這標準是一個系統(tǒng)級標準,涉及所選LED、現(xiàn)場工作溫度、光學 組件、驅(qū)動 器電源轉(zhuǎn)換能效等。燈具開發(fā)人員因而可以在LED的選擇、光學組件的使用、熱管理方案、驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)及設(shè)計方面折衷取舍,從而符合整體要求。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)應用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對嵌燈的關(guān)鍵系統(tǒng)要求。

　　表1：“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)固態(tài)照明規(guī)范之嵌燈關(guān)鍵要求。

　　最常見的嵌燈是較大孔徑類嵌燈。對于住宅及商業(yè)應用而言,除了功率因數(shù)方面的差別,設(shè)計人員能夠靈活地使用中性及暖白光LED 。從表1中的最低要求可以看出,要獲得575流明的最低輸出,最大輸入功率閾值約為16.4 W。

　　由于沒有直接適用的LED驅(qū)動 器能效標準,可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標準作為代用標準。根據(jù)EPS 2.0標準,額定功率在1到49 W之間的標準電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此,符合這標準的12 W額定功率電源的最低能效為77.7%,15 W電源則為79.1%。由于LED燈具 標準基于輸入插座能效,有必要將驅(qū)動器能效目標轉(zhuǎn)換為有效的LED負載。為了增加一些設(shè)計裕量,我們將最低目標能效定為80%。這樣一來,LED負載就為16.4 W×80%,即13.1 W。

　　這樣,我們就確定了最大負載設(shè)計目標。LED光效受制于LED制造商以及驅(qū)動電流和工作溫度。安森美 半導體 這GreenPoint?參考設(shè)計選擇的是350 mA的恒定電流,支持市場上大多數(shù)高亮度 功率LED。另一個要顧及的因素是燈具開發(fā)人員可以選擇寬范圍的LED,所選LED的光效越高,要求采用的LED數(shù)量就越少。因此,這GreenPoint?參考設(shè)計在50%至100%額定負載時的能效應當較高。隨著LED光效的提升,可以輕易修改同一個基本電源設(shè)計 來驅(qū)動更少的LED,從而提供遠高于最低要求的燈具光效。

　　2、其它設(shè)計要求

　　確定了基本設(shè)計要求,就需要考慮與終端應用需求有關(guān)的其它系統(tǒng)因素。例如,雖然標準中并無要求,但兼容已有線路調(diào)光方案很重要。因此,應當針對三端雙向可控硅開關(guān) 器件(TRIAC )壁式調(diào)光器來優(yōu)化設(shè)計。TRIAC調(diào)光的挑戰(zhàn)不少,但有一項因素設(shè)計人員可能容易忽略,就是驅(qū)動器應當能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動及工作。而且,驅(qū)動電源的尺寸應當匹配嵌燈燈具接線盒。還應該注意一項人的因素要求。雖然LED實際上在瞬間之間就發(fā)光,但驅(qū)動器的設(shè)計要留出特定的啟動時間。不管是什么LED燈具,這方面的表現(xiàn)都應該不比CFL差,甚至應該更好。所以,我們可以把CFL作為參照基準?！澳茉粗恰盋FL燈泡要求中,額定條件下最大啟動時間為1秒,因此,我們將就LED驅(qū)動器在啟動時間方面的設(shè)計目標定在0.5秒。由于這個設(shè)計面向住宅或商業(yè)應用,因此我們定下的規(guī)格目標更具挑戰(zhàn)性。表2總結(jié)了本GreenPoint?參考設(shè)計關(guān)鍵的設(shè)計目標。

　　表2：關(guān)鍵設(shè)計目標。

　　3、設(shè)計途徑：采用單段式方案提供高功率因數(shù)

　　要實現(xiàn)高功率因數(shù)、電源能效目標及緊湊的尺寸,有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓撲結(jié)構(gòu)。由于功率目標較低,傳統(tǒng)的兩段式拓撲結(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。因此,我們使用了基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器 的CrM反激拓撲結(jié)構(gòu)。

　　單段式拓撲結(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段,幫助減少元器件數(shù)量,降低系統(tǒng)總成本。但采用單段式拓撲結(jié)構(gòu),系統(tǒng)也會受到一些影響,如無初級高壓能量存儲,輸出電壓保持時間較短。另外,輸出紋波 較高,必須采用更多的低壓輸出電容來滿足維持要求,及對動態(tài)負載反應較慢等。有利的是,這對眾多LED照明應用而言不構(gòu)成問題,因為LED照明應用無系統(tǒng)維持時間要求,而且紋波匯入平均光輸出,人眼不會察覺。

　　設(shè)計針對高功率因數(shù)(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求,并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形。這對兼容TRIAC調(diào)光非常重要,因為TRIAC調(diào)光器原本用于白熾燈,而白熾燈在電路中的作用就象是電阻,即充當電阻型負載。用示波器截取的波形顯示 ,優(yōu)化設(shè)計的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相。

　　圖1顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓撲結(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。從圖1中可以看出,隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個主要功能,一是緊密穩(wěn)流350 mA的恒定電流,并為初級端提供反饋,用于調(diào)節(jié)導通時間,對流經(jīng)LED的恒定電流進行穩(wěn)流;二是在發(fā)生開路事件時,進入恒壓控制模式,在故障事件下產(chǎn)生穩(wěn)壓固定電壓。開路電壓穩(wěn)壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制。此外,無意中碰到輸出短路時,還能限制功率,避免損壞LED。

　　圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動器GreenPoint?參考設(shè)計簡化框圖。

　　4、測試 結(jié)果

　　測試結(jié)果顯示,這參考設(shè)計的性能超過了表2中所列的全部設(shè)計目標,參見圖2(詳見參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅(qū)動器的功率因數(shù)和輸入電流總諧波失真,可以看出這參考設(shè)計的功率因數(shù)很高(超過商業(yè)照明0.9的最低功率因數(shù)要求),總諧波失真低(20%)。圖3顯示了不同負載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個工作點下的能效作平均計算,可得出總平均能效為80.7%;而在50%至100%負載的關(guān)鍵工作區(qū)域,能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設(shè)計定下的80%能效目標,還超過了EPS 2.0標準對15 W電源79.1%的能效要求。損耗來源中包含輸入EMI 段支持TRIAC調(diào)光所需的15歐姆限流電阻的能耗。

　　圖2：90至135 Vac輸入線路電壓條件下的功率因數(shù)和總諧波失真。