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

　　(c)變壓器圈數(shù)比設(shè)計(jì)考慮

　　變壓器圈數(shù)比設(shè)計(jì)是功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)器最為重要之環(huán)節(jié)，其不僅決定初級與次級功率晶體之選用，亦影響總諧波失真。理想上，反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在定頻且不連續(xù)導(dǎo)通模式情況下能達(dá)到接近1的功率因數(shù)值，原因?yàn)椋洪_關(guān)導(dǎo)通時變壓器初級電流線性正比于輸入電壓，而在開關(guān)周期結(jié)束前變壓器已完全釋能而不受輸出電壓之影響，使轉(zhuǎn)換器之輸入電流等比于輸入電壓。轉(zhuǎn)換器考慮較低的開關(guān)損耗可工作于臨界導(dǎo)通模式，然而，此模式在高壓輸入占空比(Duty Cycle)伴隨接近AC峰值處遞減，使瞬時平均電流未能隨輸入電壓之比例提升，此情況與與低壓輸入時差異甚大。故高壓輸入時易發(fā)覺輸入電流接近AC波峰處顯得平坦，如圖3所示。

　　圖3.高壓輸入之失真電流示意圖

　　針對此現(xiàn)象，分析圈數(shù)比之設(shè)計(jì)與總諧波失真之關(guān)系，根據(jù)理論近似推導(dǎo)而繪出如圖4，其中Kv為AC峰值電壓與次級電壓透過圈數(shù)比映乘至初級之電壓比例。

　　圖4. Kv與總諧波失真之對應(yīng)關(guān)系

　　如上結(jié)果得知，采用大圈數(shù)比之設(shè)計(jì)有助于改善失真電流，其原理如同設(shè)想轉(zhuǎn)換器于低電壓輸入時之占空比狀態(tài)，輸入電流在AC峰值處將明顯提升，使之塑型接近于電壓弦波。針對變壓器圈數(shù)比之設(shè)計(jì)與組件耐壓關(guān)系，下圖為輸入277Vac初級與次級晶體承受之電壓應(yīng)力，圖中橫軸為Kv值，縱軸為電壓單位：

　　圖5. Kv值與初次級組件耐壓之關(guān)系

　　經(jīng)由以上分析，我們得知大圈數(shù)比之設(shè)計(jì)有益于提升功率因數(shù)值，且次級可選用低順向?qū)▔航抵捇O管以減少導(dǎo)通損，反之，初級開關(guān)得承受較高的電壓應(yīng)力。由于此架構(gòu)對于突波耐受性(Surge Immunity)多仰賴被動防護(hù)方案與組件之強(qiáng)健度，初級組件之耐壓選用與實(shí)務(wù)電壓量測結(jié)果較為相關(guān)，多半無法取決于圈數(shù)比設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，此架構(gòu)要通過2kV之突波干擾測試除了外加突波吸收器(Varistor)之外，初級功率半導(dǎo)體可選用800V之等級以上避免超過額定雪崩能量造成損毀，目前已有半導(dǎo)體商推出導(dǎo)通阻抗與雜散電容不遠(yuǎn)于650V等級之900V功率半導(dǎo)體，使效率能維持不變。

　　(d)輸出短路與開路之設(shè)計(jì)考慮

　　相較于定電壓模式，定電流模式所進(jìn)行的輸出短路較無危險(xiǎn)性，其回授將試圖在輸出0V情況下維持定電流而縮減占空比，使輸入功率降低。而實(shí)務(wù)上由于變壓器次級無法在短路情況下釋能，即便控制器有最小開關(guān)導(dǎo)通時間仍會使變壓器儲能持續(xù)迭加，大多設(shè)計(jì)仍需仰賴保護(hù)極制。設(shè)計(jì)PSR之短路保護(hù)可透過輔助繞組偵測低電壓準(zhǔn)位使控制器停止動作，在瞬時期間則透過初級峰值限流可避免變壓器飽合。

　　開路保護(hù)應(yīng)用于燈具損壞造成高阻抗或輸出空接時之保護(hù)，為避免定電流在此情況下過充輸出電容造成零件過壓損毀。若為可攜型外置式驅(qū)動電源因考慮便利性而多半將空載時操作于定電壓模式，如此可使燈具同充電器般進(jìn)行熱插入。在此模式下將考慮輸出電壓與待機(jī)損耗。開路電壓與滿載輸出之電壓差關(guān)系到LED在進(jìn)行熱插時之涌浪電流(Inrush Current)大小，此決定輸出限流機(jī)制之使用，例如：采用被動組件之限流電感與是否置入主動式限流電路，部份設(shè)計(jì)為降低涌浪電流而將空載電壓設(shè)計(jì)略高于輸出電壓以省去限流電路。為符合未來2016年能源法規(guī)最嚴(yán)格之待機(jī)損耗低于75mW，LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)將是新的考驗(yàn)，以下概略性分析轉(zhuǎn)換器空載各部損耗，以一輸出45W/40Vmax之單級高功率因數(shù)LED驅(qū)動器為例，假設(shè)與待機(jī)功耗相關(guān)之重要參數(shù)條件如下：

　　●輸出假性負(fù)載(Dummy load)：200kΩ

　　●200nF X電容對應(yīng)之安規(guī)放電電阻：4 MΩ

　　●控制與穩(wěn)壓電路于空載之總損耗：18mW(18V/1mA)

　　●極輕載(20~30mW)情況下反激式轉(zhuǎn)換器效率：50%

　　綜合以上參數(shù)計(jì)算，待機(jī)輸入功率在275Vac輸入條件下約72mW，其中電阻與控制電路所占之固定損耗約46mW，變壓器與功率組件損耗所占之轉(zhuǎn)換損失約為26mW.以上損耗評估未含高壓啟動電路與次級反饋電路，尤其在高壓輸出應(yīng)用情況下次級反饋電路將有不少之靜態(tài)損耗。如此可見，反激式驅(qū)動控制器搭配高壓啟動、X電容放電機(jī)制與低靜態(tài)電流功耗將是未來符合節(jié)能法規(guī)之利器。