如何將總諧波失真降至 10% 以下

LED 照明領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題一直是如何將總諧波失真 (THD) 保持在 10% 以下。電源不但可作為非線(xiàn)性負載，而且還可引出一條包含諧波的失真波形。這些諧波可能會(huì )對其它電子系統的工作造成干擾。因此，測量這些諧波的總體影響非常重要?？傊C波失真可為我們提供信號 w.r.t. 基波分量中諧波含量的相關(guān)信息。更高的 THD 就意味著(zhù)出現在輸入電源端的失真越大或電源質(zhì)量越低。

因此，我不得不使用 15 W 射燈（絕緣）設計來(lái)測試一個(gè)設計方法，該設計方案采用針對 7 個(gè)串聯(lián) LED 配置的TPS92314器件，可通過(guò) 150 ~ 265V AC 輸入提供 3.1V 正向電壓和 0.7A 額定電流。按照下列指示，我在 240V 的 AC 輸入電壓下實(shí)現了 8.7% 的 THD。

在進(jìn)行實(shí)際實(shí)施之前，請查閱本應用手冊，了解完成該測試所需的兩個(gè)重要方程式。

在本例中，k 等于 1.68，我們可通過(guò)上述方程繪制出當 k = 1.68 時(shí) THD 與“m”的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

從下圖中我們可以看到，當 k 增大時(shí)（在 m

因此，重新看一下“m”和“k”的定義，我們就會(huì )發(fā)現，增大匝數比（n = Np/Ns）及轉換器延遲時(shí)間，可降低 THD。除這兩個(gè)參數外，EMI 濾波器設計也可對 THD 的改善起到非常重要的作用。用來(lái)降低總諧波失真的三個(gè)設計注意事項包括：

1. 增加變壓器匝數比(n = Np/Ns)可增大反射電壓。這會(huì )提高成本和開(kāi)關(guān) FET 的電壓應力。在本特例中，我們將匝數比調成近似于 10，以保持反射電壓約為 174V。FET 額定值必須高于過(guò)沖電壓、（LED 最大電壓+ 輸出二極管壓降）× 匝數比加上峰值 AC 輸入電壓的總和。計算結果將近 640V [= 50 V + (20 + 0.5) * 10 + 1.414 * 265]。我使用的是 700V 額定 FET 以及約為 16pF 的低漏源極電容。
2. 增加轉換器延遲時(shí)間可降低THD。我將電阻器從計算的 5.6k 變?yōu)?6.2k。延遲時(shí)間取決于變壓器的初級線(xiàn)圈電感以及 FET 的漏源極電容。所得延遲時(shí)間約為 280ns。
3. 在輸入端添加EMI濾波器。在本例中，將帶有 275V AC、68nF 電容器的 80mH 共模線(xiàn)圈添加至輸入端，并在該橋接之后添加一個(gè)包含 1mH 鼓電感器和兩個(gè) 400V、33nF 電容器的 π 濾波器。這可幫助我們實(shí)現 2.15 kHz 的差分濾波器轉角頻率。在線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )和頻譜分析儀的幫助下，我在查看傳導 EMI 曲線(xiàn)后，在多次迭代中計算這些值。在最初沒(méi)有任何線(xiàn)路濾波器的情況下，峰值在 100 kHz（轉換器開(kāi)關(guān)頻率）下約為 85dBuV。該頻譜已經(jīng)超出了 CISPR 15 B 類(lèi)標準的限值，直到頻率為 1MHz 時(shí)才降至限值以?xún)?。因此不得不采?EMI 濾波器。我逐步增加共模線(xiàn)圈值，并觀(guān)察其對 THD 性能的影響（將電容器增大到一定程度后會(huì )降低 PF 性能）。最后，該值達到了 80mH 和 68nF 左右，而截止頻率則為 2.15 kHz，衰減超過(guò) 30dB，使 100 kHz 下的峰值降至 55.78dBuV。這樣，頻譜不僅下降了，而且它還使燈光達到了 CISPR 15 標準（符合準峰值和平均限值兩種要求）。進(jìn)行這一改變后，THD 改善至大約 9 ~ 10%。與共模線(xiàn)圈相關(guān)的漏電感幫我實(shí)現了差分濾波器。

通過(guò)進(jìn)行上述改變，我才得以在 240V 的輸入電壓下實(shí)現 8.5% 的 THD 以及 0.98 的 PF，輸出電壓為 21.8V。在相同設計中的輸出端（18.8V 輸出）使用六個(gè) LED，我們在 240V 電壓下實(shí)現了 9% 的 THD。通過(guò) EE1685 磁芯（匝數 180）實(shí)現了 80mH 的 EMI 濾波器。主變壓器的初級電感為 2mH，峰值主電流約為 0.5A。

本次測試使用的 LED 驅動(dòng)器是TPS92314，這款一次側控制離線(xiàn) LED 驅動(dòng)器主要用于低成本照明應用（少量外部元件）。它具有恒定導通時(shí)間架構，無(wú)需復雜的補償技術(shù)就可實(shí)現自然功率因數校正。此外，諧振谷值開(kāi)關(guān)也可減少 EMI，提高系統效率。其它優(yōu)異的特性還包括逐周期一次側電流限制、VCC 過(guò)壓保護及欠壓鎖定、輸出 LED 過(guò)壓保護以及控制器關(guān)閉等。

基于TITPS92314的完整原理圖如下。

參考資料：

1. TPS92314 THD 設計注意事項（SNVA685、PDF、293 KB）
2. TPS92314 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)