高功率因數(shù)單級反激式LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　節(jié)能減碳是近年來全球關(guān)注的議題，根據(jù)能源署(IEA)數(shù)據(jù)顯示，照明耗能占全球總能耗之19.5%.LED相較于其他照明燈源更為省電、長壽命且具環(huán)保概念，使得LED市場于近年來擴(kuò)張迅速。LED搭配燈具設(shè)計(jì)，于居家、展會、工業(yè)照明、路燈、屏幕廣告牌等應(yīng)用場合可取代各式光源，其應(yīng)用面廣泛與省電之優(yōu)勢已成為先進(jìn)國家推廣節(jié)能政策之方向。

　　非隔離架構(gòu)于中小功率LED方案具有成本優(yōu)勢，如采用具功率因數(shù)校正之降壓(Buck)、升降壓(Buck-boost)轉(zhuǎn)換器。但為避免人員與高電壓電源接觸之安全考慮，眾多LED應(yīng)用要求變壓器等級之絕緣，如可攜式LED驅(qū)動(dòng)電源、路燈等，甚至部份取代白熾燈或熒光燈之應(yīng)用場合仍求要絕緣。基于空間與成本之考慮，反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback converter)為隔離型中小功率應(yīng)用下最為理想之架構(gòu)。雖然，LED負(fù)載特性不如一般電子負(fù)載復(fù)雜而使得設(shè)計(jì)上有許多發(fā)揮空間，但在市場競爭壓力下，針對系統(tǒng)客制化、共享性、強(qiáng)健度等不同應(yīng)用需求，有不同之驅(qū)動(dòng)器電路之優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮。于此，本文主要探討單級反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)器之設(shè)計(jì)與除錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)。

　　單級高功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器之產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮

　　為提高能源使用效益，全球各地能源部針對照明類有獨(dú)立規(guī)范，總諧波失真(THD)較多規(guī)范小于20%，部份地區(qū)(如俄羅斯)則更須符合10%，各次諧波失真則參照EN61000-3-2之Harmonic Class C單元。若為外置式電源，廠商須參照加州能源法(CEC)與歐盟指令(EuP)之平均效率與待機(jī)功耗做為設(shè)計(jì)依據(jù)。傳統(tǒng)升壓型功率因數(shù)修正電路搭配反激式轉(zhuǎn)換器之雙級架構(gòu)可輕易符合THD規(guī)格需求，但考慮中小功率應(yīng)用之成本與體積，具功率因數(shù)修正之單級反激式轉(zhuǎn)換器(Single stage Flyback Converter with PFC)不僅整機(jī)效率更高，更能貼近電源設(shè)計(jì)廠之需求。原因在于驅(qū)動(dòng)LED相較于其他型電子負(fù)載或充電器可容許較大的輸出漣波電流，且較少考慮到保持時(shí)間(Hold-up time)，因此大幅降低儲能組件之體積。

　　單級高功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器在LED電源廠已被廣泛采用，單級轉(zhuǎn)換器在控制架構(gòu)上分為次級調(diào)節(jié)(Secondary Side Regulation， SSR)與初級調(diào)節(jié)(Primary Side Regulation， PSR)，后者使控制電路設(shè)計(jì)更加精簡。為節(jié)省變壓器體積并提升效率，中小功率常選擇操作在臨界導(dǎo)通(Critical Conduction Mode， CrM)或不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinue Conduction Mode， DCM)。目前各家半導(dǎo)體廠提出之解決方案皆能達(dá)成小范圍之定電流誤差及完善的保護(hù)功能，工程師毋須額外費(fèi)心設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的控制電路。然而，電源設(shè)計(jì)時(shí)得全盤考慮所有規(guī)格，除錯(cuò)實(shí)務(wù)并未全然涵蓋于IC應(yīng)用手冊，若能第一時(shí)間掌握設(shè)計(jì)概要?jiǎng)t可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此，以下針對轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)部份匯整常見之問題并做進(jìn)一步的探討與分享：

　　(a)定電流精準(zhǔn)度問題

　　初級調(diào)節(jié)多操作在BCM或DCM模式，藉由已知的繞組圈數(shù)，透過精密電阻偵測初級峰值電流與輔助繞組偵測次級泄磁時(shí)間以推算輸出電流。然而此模式下有幾項(xiàng)因素影響定電流精準(zhǔn)度：

　　1.導(dǎo)通延遲時(shí)間(Propagation delay)：來自于IC放大級與功率半導(dǎo)體開關(guān)的延遲，高低電壓輸入的影響能量傳遞。此誤差無法藉由人工調(diào)節(jié)縮小差異，最簡易方式為透過輸入電壓偵測值進(jìn)行峰值電流補(bǔ)償以縮小高低壓輸入之差異，可透過繞組或高壓線性方式來達(dá)成，如圖1所示。