如何改善高效率街燈照明應(yīng)用的定電流 LED 驅(qū)動器總諧波失真

　　I. 簡介

　　以發(fā)光二極管 (LED) 取代現(xiàn)有照明設(shè)備時，選擇設(shè)備的主要標(biāo)準(zhǔn)包括更高的照明質(zhì)量、高效力、環(huán)保和更長的產(chǎn)品壽命。 因為功率位準(zhǔn) (power level)增加且成本下降，LED也被視為是 21 世紀(jì)的照明工具。 功率LED現(xiàn)已逐漸應(yīng)用在街燈照明。 但是把LED當(dāng)作一種負(fù)載并用在這樣的功率范圍，必須接受IEC61000-3-2等電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范。 印度對LED照明的總諧波失真 (Total H armonic D istortion ， THD )設(shè)有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。 為了符合這些標(biāo)準(zhǔn)，并不推薦采用電容器十分笨重的一般二極管橋式整流器(Diode Bridge Rectifier，DBR )。 或可借助在連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode，DCM)中導(dǎo)入磁性， 來降低總諧波失真并提高功率因子。 在連續(xù)導(dǎo)通模式下，功率因子校正(PFC)開關(guān)無法在零電壓的狀況下運作，因此效率不佳。 另一個問題是這種開關(guān)必須在高峰值電流下運作，造成電磁干擾濾波器(EMI filter)的體積變大。 臨界導(dǎo)電模式(Critical Conduction Mode，CRM)是高功率因子最好的選擇，不致影響效率。 市面上有幾款采用臨界導(dǎo)電模式的邏輯IC產(chǎn)品已經(jīng)商品化，非常推薦用來提高功率因子、降低成本且提升效率。 這些商用IC產(chǎn)品符合IEC 1000-3-2 Class C標(biāo)準(zhǔn)，但LED 驅(qū)動器解決方案的總諧波失真仍在20% ，甚至更高。 這并不符合LED照明新規(guī)范的要求。 為了在不影響效率的情況下改善總諧波失真，建議在架構(gòu)中使用feedback pin injection控制的做法。 這種方式是把來自線路電壓的回饋，注入回饋接腳上橋式轉(zhuǎn)換器的后面，以此改善總諧波失真卻不影響效率及負(fù)載調(diào)節(jié)。 建議使用的轉(zhuǎn)換器適用于主要的傳感技術(shù)，可提高瞬時響應(yīng)并加速修正。 這種單一階段、單一開關(guān)的做法，可縮小產(chǎn)品尺寸并降低成本。 建議使用的轉(zhuǎn)換器，其原型現(xiàn)正利用HVLED001A商用IC，針對80W 的 LED 街燈上進(jìn)行 實驗性認(rèn)證。 測試結(jié)果完全符合新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 在整個電源電壓范圍內(nèi)，記錄到的功率因子和總諧波失真為>0.97以及 <10%， 電流調(diào)節(jié)也很高(3%)。 轉(zhuǎn)換器也呈現(xiàn)高效率運轉(zhuǎn)(>92%)。 轉(zhuǎn)換器的熱力學(xué)相當(dāng)穩(wěn)定，因此非常適合街燈照明應(yīng)用現(xiàn)有的燈罩。

　　II. 建議使用的LED驅(qū)動器架構(gòu)建議

　　圖 1 為建議使用的 LED 驅(qū)動器架構(gòu)。 在這個建議使用的架構(gòu)中，輸入電壓的開關(guān)波形被饋入到反饋回路，以便和線路電壓的殘余電流達(dá)成同步。 再使用高效能運算放大器來達(dá)到LED驅(qū)動器對定電流的要求。 圖2為定電流控制器區(qū)塊，用來控制LED模塊的電流。 建議使用的LED驅(qū)動器在功能方面分為五個區(qū)塊。 前兩個區(qū)塊為線路濾波器和分布式布拉格反射器(DBR)，是類似于其他功率轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)作法。 返馳變換器則是用在零電壓開關(guān)，可提升效率但不致于影響小型LED驅(qū)動器的高頻率需求。 LED驅(qū)動器主要的傳感功能可提升恒電壓模式的快速動態(tài)反應(yīng)。 如果LED發(fā)生短路和開路的狀況，它還能提供短路保護和過電壓保護。

　　建議使用的轉(zhuǎn)換器 ，其原型已利用 LED 模塊 97-112VDC ，在 0.7A 的電流額定下進(jìn)行 測試。 硬件測試結(jié)果十分良好，完全符合LED照明的嚴(yán)格規(guī)范。 整個線路周期所測量到的總諧波失真低于10%，功率因子超過0.97。 因此，建議使用的轉(zhuǎn)換器具有卓越的電力質(zhì)量參數(shù)。 整個線路周期所測量到的電流調(diào)節(jié)低于2%。 建議使用的這款驅(qū)動器，效率可達(dá)91%以上。 因此，建議采用的拓?fù)淠転榻譄粽彰鲬?yīng)用的LED驅(qū)動器，達(dá)到優(yōu)良的電源質(zhì)量和高效率。

　　III. 控制架構(gòu)

　　LED 驅(qū)動器 的 控制系統(tǒng) ，是以準(zhǔn)諧振( QR )尖峰電流模式的返馳功率因子校正，以及 LED 定電流控制架構(gòu)為基礎(chǔ)。 圖2為建議使用的LED驅(qū)動器，其返馳功率因子校正控制器的控制架構(gòu)。 功率因子校正架構(gòu)的做法是，一達(dá)到默認(rèn)尖峰電流就關(guān)閉功率因子校正開關(guān)，但當(dāng)零電流檢測電路的初級側(cè)去磁達(dá)到第一個諧振波谷，就把開關(guān)打開。 先使用來自直流總線電壓的高電壓起動訊號來啟動主要的傳感控制器。 在啟動期間，控制器會提供必要的閘極驅(qū)動力，LED驅(qū)動器則提供輸出所需要的電壓，還有控制器的輔助電源供應(yīng)。 這時零電流偵測(Zero Current Detection，ZCD)電路開始運轉(zhuǎn)，偵測現(xiàn)用開關(guān)的零交叉。 閘極驅(qū)動器的設(shè)定重設(shè)正反器(SR flip-flop)設(shè)定訊號，則是來自零電流偵測訊號。 正反器的重設(shè)訊號，取決于回饋訊號和電流傳感訊號之間電壓差的倍數(shù)。 為降低總諧波失真，則須將回饋訊號注入線路電壓包絡(luò)。

　　要達(dá)到 LED 驅(qū)動器的定電流要求，必須傳感 LED 電流，同時利用光隔離器來控制反饋電壓的閘極驅(qū)動。 圖3為定電流控制器的設(shè)計圖解。 來自LED燈串的LED電流反饋電壓會流向電流傳感輸入。 參考電流是利用電壓參考訊號的分位器來設(shè)定，還能設(shè)定電流參考訊號。 電流參考和電流反饋訊號之間的電壓差異相同，則可提升電流調(diào)節(jié)效率。

　　IV. 硬件測試結(jié)果討論

　　建議使用的 LED 驅(qū)動器 已利用 LED 負(fù)載 97V-112V ，在 0.7A 的電流額定下進(jìn)行 測試。 功率因子校正和直流對直流轉(zhuǎn)換器則使用HVLED001A商用控制器。 定電流的需求，是利用TSM101A商用模擬控制器來完成的。 表1是我們?yōu)榻ㄗh設(shè)計所挑選的主要零組件。 圖4則是建議使用LED驅(qū)動器的電路板圖片。 測試結(jié)果顯示總諧波失真表現(xiàn)良好 (<10%)、功率因子高、效率高 ( >90% ) ，整個線路和負(fù)載狀況的 電流調(diào)節(jié)表現(xiàn)也十分良好 ( <3% ) 。 圖5為測試裝置的照片，結(jié)果顯示滿載狀況下總諧波失真為7%，AC 輸入電壓為300V。 圖6為LED驅(qū)動器的功率質(zhì)量參數(shù)及整體系統(tǒng)效能。 圖6(a)為總諧波失真和功率因子相對于輸入電壓的數(shù)值。 可以發(fā)現(xiàn)總諧波失真和功率因子，對街燈應(yīng)用的LED驅(qū)動器來說都在可接受范圍內(nèi)(<10%)。 圖6(b)則為LED驅(qū)動器的效率及電流調(diào)節(jié)數(shù)值。 測試結(jié)果顯示，標(biāo)稱輸入電壓下整體效率為92%，整個線路周期也最少有90%。 整個輸入電壓范圍內(nèi)的電流調(diào)節(jié)均<3%。

　　表1：選擇使用的主要組件

　　V. 結(jié)論

　　我們已經(jīng)設(shè)計出具有低總諧波失真特性的 LED 驅(qū)動器，也針對街燈照明應(yīng)用進(jìn)行驗證。 這種LED驅(qū)動器的效率極高且電流調(diào)節(jié)效果良好，適用于大范圍的輸入電壓。 起動、定態(tài)和動態(tài)效能也都不錯，已經(jīng)過實驗認(rèn)證。 建議使用的這款驅(qū)動器適合大范圍的街燈照明應(yīng)用，還有LED街燈照明應(yīng)用的嚴(yán)格規(guī)范。

　　作者：Aman Jha, Manoj Kumar 意法半導(dǎo)體印度大諾伊達(dá)地區(qū)分公司