符合“能源之星”固態(tài)照明標準的離線(xiàn)型LED驅動(dòng)器GreenPoint®參考設計

隨著(zhù)高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)在光輸出、能效及成本方面的全面改善，同時(shí)結合小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，LED照明(也稱(chēng)固態(tài)照明(SSL))正在掀起一場(chǎng)照明革命。而在節能環(huán)保的趨勢下，LED照明自然也成為眾多規范機構所瞄準的目標。如美國能源部“能源之星”項目的1.1版固態(tài)照明標準自2009年2月開(kāi)始生效，中國的中國標準化研究院也在牽頭攜手相關(guān)機構，準備在2010年發(fā)布中國版本的LED照明能效標準。

就“能源之星”的新版固態(tài)照明標準而言，這標準的一項重要特點(diǎn)是要求多種住宅照明產(chǎn)品的功率因數最低要達到0.7，其中的一些典型產(chǎn)品有便攜式臺燈、櫥柜燈及戶(hù)外走廊燈等。這類(lèi)LED照明應用的功率一般在1到12 W間，屬于低功率應用。這類(lèi)低功率應用最適宜的電源拓撲結構是隔離型反激拓撲結構。不利的是，現有用于設計這些電源的標準設計技術(shù)通常使得功率因數(PF)僅在0.5至0.6的范圍。本文將分析現有設計功率因數低的原因，探討改善功率因數的技術(shù)及解決方案，介紹相關(guān)設計過(guò)程及分享測試部分數據，顯示這參考設計如何輕松符合“能源之星”固態(tài)照明規范對住宅LED照明應用功率因數的要求。

設計背景
典型離線(xiàn)反激電源轉換器在開(kāi)關(guān)穩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(xiàn)路周期內線(xiàn)路功率降低，直到零，然后上升至下一個(gè)峰值。大電容作為儲能元件，填補相應所缺失的功率，為開(kāi)關(guān)穩壓器提供更加恒定的輸入，維持電能流向負載。這種配置的功率利用率或輸入線(xiàn)路波形的功率因數較低。線(xiàn)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谷(valley-fill)整流器，其中采用的電解電容和二極管組合增大了線(xiàn)路頻率導通角，從而改善功率因數。實(shí)際上，這個(gè)過(guò)程利用高線(xiàn)路電壓以低電流給串聯(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)穩壓器。典型應用使用2個(gè)電容和3個(gè)二極管，而要進(jìn)一步增強功率因數性能，則使用3顆電容和6個(gè)二極管。

圖1：典型填谷電路。

雖然填谷整流器提高了線(xiàn)路電流的利用率，但并未給開(kāi)關(guān)穩壓器提供恒定的輸入。提供給負載的功率會(huì )有較大紋波，達線(xiàn)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)對線(xiàn)路電源整流，使這種方案所用的二極管數量達到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(guān)的電路板面積。

另外一種方案是在反激轉換器前采用有源(Active) PFC段，如NCP1607B。這種方案提供典型性能高于0.98的優(yōu)異功率因數，但增加了元件數量、降低了效率及增加了復雜性，最適用的功率電平遠高于本應用的功率電平。

解決方案
高功率因數通常需要正弦線(xiàn)路電流，且要求線(xiàn)路電流及電壓之間的相位差極小。修改設計的第一步就是在開(kāi)關(guān)段前獲得極低的電容，從而得到更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線(xiàn)路電壓，產(chǎn)生更理想的正弦輸入電流。這樣，反激轉換器的輸入電壓就以線(xiàn)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，功率因數就高。提供給負載的能量就是電壓與電流的乘積，是一個(gè)正弦平方(sine?squared)波形。由于這種正弦平方波形的能量傳遞，負載將遭遇線(xiàn)路頻率2倍的紋波，本質(zhì)上類(lèi)似于填谷電路中出現的紋波。

如上所述，輸入電流必須保持在幾近正弦的波形，從而實(shí)現高功率因數。高功率因數的關(guān)鍵在于通過(guò)將反饋輸入維持在與線(xiàn)路頻率相關(guān)的恒定電平，不允許控制環(huán)路針對輸出紋波來(lái)校正。一種選擇是大幅增加輸出電容，從而減小120 Hz紋波量，某些應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，通用照明應用的LED更能容忍紋波。更為緊湊及廉價(jià)的方案是濾除返回至PWM轉換器的反饋信號，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電感再乘以電源開(kāi)關(guān)導通時(shí)間長(cháng)度來(lái)確定。