改善LED驅(qū)動(dòng)電路功率因數(shù)改善以及介紹NCP1014解決方案

中心議題：
* LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)功率因數(shù)低的原因分析
* 無(wú)源PFC與有源PFC方案比較
* 基于NCP1014的解決方案設(shè)計(jì)過(guò)程及元器件選擇依據(jù)
* 基于NCP1014的解決方案測(cè)試數(shù)據(jù)分享

本參考設(shè)計(jì)將分析現(xiàn)有照明LED驅(qū)動(dòng)電路設(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、元器件選擇依據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)分享，顯示這參考設(shè)計(jì)如何輕松符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)要求，非常適合低功率LED照明應(yīng)用。

無(wú)源PFC與有源PFC方案比較

典型離線反激電源轉(zhuǎn)換器在開(kāi)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(kāi)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充(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)電角，從而改善功率因數(shù)。實(shí)際上，這個(gè)過(guò)程從高線路電壓處以低電流給串聯(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(kāi)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：典型谷底填充電路。

雖然谷底填充整流器提高了線路電流的利用率，但并未給開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供恒定的輸入。提供給負(fù)載的功率擁有較大紋波，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)異功率功數(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流之間的相位差極小。修改設(shè)計(jì)的第一步就是在開(kāi)關(guān)段前獲得極低的電容，從而支持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)生更合意的正弦輸入電流。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，是正弦平方(sine-squared)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(lèi)似于谷底填充電路中出現(xiàn)的紋波。

如上所述，輸入電流必須保持在幾近正弦的波形，從而提供高功率因數(shù)。提供高功率因數(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流從而減小120 Hz紋波總量，某些應(yīng)用可能要求使用這種方案。如果頻率高于可見(jiàn)光感知范圍，通用照明應(yīng)用的LED更能容受紋波。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(kāi)關(guān)中的最大電流。電源開(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)電的時(shí)間長(zhǎng)度所確定。

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 ?XR-E/XP-E、Luxeon Rebel、Seoul Semiconductor Z-POWER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(kāi)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(kāi)關(guān)周期或?qū)щ姇r(shí)間結(jié)束前的初級(jí)電感來(lái)確定。由于導(dǎo)電時(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(jiàn)圖2。

圖2：NCP1014LEDGTGEVB電路圖。

設(shè)計(jì)過(guò)程

較高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小變壓器尺寸，但同時(shí)會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。本參考設(shè)計(jì)選擇了100 kHz版本的NCP1014作為平衡點(diǎn)。這個(gè)單芯片轉(zhuǎn)換器的能效預(yù)計(jì)為約75%，因此，要提供8 W輸出功率，預(yù)計(jì)需要10.6 W的輸入功率。輸入功率范圍為是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)電路，藉減少元件數(shù)量簡(jiǎn)化了啟動(dòng)。這集成控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區(qū)域會(huì)散熱并降溫。當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，反激變壓器上的偏置繞組會(huì)關(guān)閉DSS，降低轉(zhuǎn)換器功率耗散。較低的工作溫度使更多的電能可以提供給負(fù)載。

下文簡(jiǎn)單介紹本參考設(shè)計(jì)各電源段所選擇的元器件及部分相關(guān)選擇理?yè)?jù)。詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程參見(jiàn)安森美半導(dǎo)體的《用于“能源之星”LED照明應(yīng)用的離線LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)文檔套件》

1) 電磁干擾(EMI)濾波器

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器從輸入源消耗電流。有關(guān)諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成，可以削弱不想要的信號(hào)。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓90°的異相導(dǎo)電電流，這種改變的電流使輸入電壓與電流之間出現(xiàn)相差，降低了功率因數(shù)，故需要在濾波需求與維持高功率因數(shù)之間取得平衡。

根據(jù)電磁干擾的屬性及濾波器元件的復(fù)雜特性，電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用于提供L-C濾波器頻率，約為開(kāi)關(guān)頻率的1/10。所使用的電感值是：

實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇的是2.7 mH電感，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感值。基于這個(gè)起點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)濾波器以符合導(dǎo)電放射限制。電容C2增加到了220 nF，從而提供放射限制余量。電阻R1限制浪涌電流，并在故障事件中提供可熔元件。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，可能需要熔絲來(lái)符合安全要求。注意在初級(jí)總電容較小的情況下浪涌電流較小。

2) 初級(jí)鉗位

二極管D5、電容C3和電阻R2組成鉗位網(wǎng)絡(luò)，控制由反激變壓器泄漏電感造成的電壓尖峰。D5應(yīng)當(dāng)是快速恢復(fù)器件，額定用于應(yīng)對(duì)峰值輸入電壓及反射到變壓器初級(jí)上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復(fù)二極管是二極管D5的適宜選擇。電容C3必須吸收泄漏的能量，同時(shí)電壓只有極小的增加，1.5 nF的電容足以用于這類(lèi)低功率應(yīng)用。電阻R2必須耗散泄漏的能量，但并不必須會(huì)降低能效。電阻R2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇47 kΩ。需要注意的是，電阻R2和電容C3必須額定用于125.5 V電壓。

3) 偏置電源

二極管D6對(duì)偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時(shí)額定電壓為100 V的MMBD914二極管是D6的適宜選擇。初級(jí)偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來(lái)濾波。選擇的C5為2.2 μF，C4為0.1 μF，R3為1.5 kΩ。

4) 輸出整流器

輸出整流器必須承受遠(yuǎn)高于630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V，整流器峰值電壓為93.2 V。所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35
nS的MURS320，提供低正向壓降及快開(kāi)關(guān)時(shí)間。2,000 μF的電容將輸出紋波電流限制在25%，或是峰-峰值144 mA。

5) 電流控制

通過(guò)監(jiān)測(cè)與輸出串聯(lián)的感測(cè)電阻RSENSE的壓降，維持恒定的電流輸出。電阻R11連接感測(cè)電阻至通用PNP晶體管Q1的基極-射極結(jié)。當(dāng)感測(cè)電阻上的壓降約為0.6 V時(shí)，流過(guò)R11的電流偏置Q1，使其導(dǎo)通。Q1決定了流過(guò)光耦合器U2的LED的電流，