如何改善高效率街燈照明應用的定電流 LED 驅動(dòng)器總諧波失真

　　I. 簡(jiǎn)介

　　以發(fā)光二極管 (LED) 取代現有照明設備時(shí)，選擇設備的主要標準包括更高的照明質(zhì)量、高效力、環(huán)保和更長(cháng)的產(chǎn)品壽命。 因為功率位準 (power level)增加且成本下降，LED也被視為是 21 世紀的照明工具。 功率LED現已逐漸應用在街燈照明。 但是把LED當作一種負載并用在這樣的功率范圍，必須接受IEC61000-3-2等電源質(zhì)量標準所規范。 印度對LED照明的總諧波失真 (Total H armonic D istortion ， THD )設有更嚴格的標準。 為了符合這些標準，并不推薦采用電容器十分笨重的一般二極管橋式整流器(Diode Bridge Rectifier，DBR )。 或可借助在連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)中導入磁性， 來(lái)降低總諧波失真并提高功率因子。 在連續導通模式下，功率因子校正(PFC)開(kāi)關(guān)無(wú)法在零電壓的狀況下運作，因此效率不佳。 另一個(gè)問(wèn)題是這種開(kāi)關(guān)必須在高峰值電流下運作，造成電磁干擾濾波器(EMI filter)的體積變大。 臨界導電模式(Critical Conduction Mode，CRM)是高功率因子最好的選擇，不致影響效率。 市面上有幾款采用臨界導電模式的邏輯IC產(chǎn)品已經(jīng)商品化，非常推薦用來(lái)提高功率因子、降低成本且提升效率。 這些商用IC產(chǎn)品符合IEC 1000-3-2 Class C標準，但LED 驅動(dòng)器解決方案的總諧波失真仍在20% ，甚至更高。 這并不符合LED照明新規范的要求。 為了在不影響效率的情況下改善總諧波失真，建議在架構中使用feedback pin injection控制的做法。 這種方式是把來(lái)自線(xiàn)路電壓的回饋，注入回饋接腳上橋式轉換器的后面，以此改善總諧波失真卻不影響效率及負載調節。 建議使用的轉換器適用于主要的傳感技術(shù)，可提高瞬時(shí)響應并加速修正。 這種單一階段、單一開(kāi)關(guān)的做法，可縮小產(chǎn)品尺寸并降低成本。 建議使用的轉換器，其原型現正利用HVLED001A商用IC，針對80W 的 LED 街燈上進(jìn)行 實(shí)驗性認證。 測試結果完全符合新的規范標準。 在整個(gè)電源電壓范圍內，記錄到的功率因子和總諧波失真為>0.97以及 <10%， 電流調節也很高(3%)。 轉換器也呈現高效率運轉(>92%)。 轉換器的熱力學(xué)相當穩定，因此非常適合街燈照明應用現有的燈罩。

　　II. 建議使用的LED驅動(dòng)器架構建議

　　圖 1 為建議使用的 LED 驅動(dòng)器架構。 在這個(gè)建議使用的架構中，輸入電壓的開(kāi)關(guān)波形被饋入到反饋回路，以便和線(xiàn)路電壓的殘余電流達成同步。 再使用高效能運算放大器來(lái)達到LED驅動(dòng)器對定電流的要求。 圖2為定電流控制器區塊，用來(lái)控制LED模塊的電流。 建議使用的LED驅動(dòng)器在功能方面分為五個(gè)區塊。 前兩個(gè)區塊為線(xiàn)路濾波器和分布式布拉格反射器(DBR)，是類(lèi)似于其他功率轉換器的傳統作法。 返馳變換器則是用在零電壓開(kāi)關(guān)，可提升效率但不致于影響小型LED驅動(dòng)器的高頻率需求。 LED驅動(dòng)器主要的傳感功能可提升恒電壓模式的快速動(dòng)態(tài)反應。 如果LED發(fā)生短路和開(kāi)路的狀況，它還能提供短路保護和過(guò)電壓保護。

　　建議使用的轉換器 ，其原型已利用 LED 模塊 97-112VDC ，在 0.7A 的電流額定下進(jìn)行 測試。 硬件測試結果十分良好，完全符合LED照明的嚴格規范。 整個(gè)線(xiàn)路周期所測量到的總諧波失真低于10%，功率因子超過(guò)0.97。 因此，建議使用的轉換器具有卓越的電力質(zhì)量參數。 整個(gè)線(xiàn)路周期所測量到的電流調節低于2%。 建議使用的這款驅動(dòng)器，效率可達91%以上。 因此，建議采用的拓撲能為街燈照明應用的LED驅動(dòng)器，達到優(yōu)良的電源質(zhì)量和高效率。

　　III. 控制架構

　　LED 驅動(dòng)器 的 控制系統 ，是以準諧振( QR )尖峰電流模式的返馳功率因子校正，以及 LED 定電流控制架構為基礎。 圖2為建議使用的LED驅動(dòng)器，其返馳功率因子校正控制器的控制架構。 功率因子校正架構的做法是，一達到默認尖峰電流就關(guān)閉功率因子校正開(kāi)關(guān)，但當零電流檢測電路的初級側去磁達到第一個(gè)諧振波谷，就把開(kāi)關(guān)打開(kāi)。 先使用來(lái)自直流總線(xiàn)電壓的高電壓起動(dòng)訊號來(lái)啟動(dòng)主要的傳感控制器。 在啟動(dòng)期間，控制器會(huì )提供必要的閘極驅動(dòng)力，LED驅動(dòng)器則提供輸出所需要的電壓，還有控制器的輔助電源供應。 這時(shí)零電流偵測(Zero Current Detection，ZCD)電路開(kāi)始運轉，偵測現用開(kāi)關(guān)的零交叉。 閘極驅動(dòng)器的設定重設正反器(SR flip-flop)設定訊號，則是來(lái)自零電流偵測訊號。 正反器的重設訊號，取決于回饋訊號和電流傳感訊號之間電壓差的倍數。 為降低總諧波失真，則須將回饋訊號注入線(xiàn)路電壓包絡(luò )。

　　要達到 LED 驅動(dòng)器的定電流要求，必須傳感 LED 電流，同時(shí)利用光隔離器來(lái)控制反饋電壓的閘極驅動(dòng)。 圖3為定電流控制器的設計圖解。 來(lái)自L(fǎng)ED燈串的LED電流反饋電壓會(huì )流向電流傳感輸入。 參考電流是利用電壓參考訊號的分位器來(lái)設定，還能設定電流參考訊號。 電流參考和電流反饋訊號之間的電壓差異相同，則可提升電流調節效率。

　　IV. 硬件測試結果討論

　　建議使用的 LED 驅動(dòng)器 已利用 LED 負載 97V-112V ，在 0.7A 的電流額定下進(jìn)行 測試。 功率因子校正和直流對直流轉換器則使用HVLED001A商用控制器。 定電流的需求，是利用TSM101A商用模擬控制器來(lái)完成的。 表1是我們?yōu)榻ㄗh設計所挑選的主要零組件。 圖4則是建議使用LED驅動(dòng)器的電路板圖片。 測試結果顯示總諧波失真表現良好 (<10%)、功率因子高、效率高 ( >90% ) ，整個(gè)線(xiàn)路和負載狀況的 電流調節表現也十分良好 ( <3% ) 。 圖5為測試裝置的照片，結果顯示滿(mǎn)載狀況下總諧波失真為7%，AC 輸入電壓為300V。 圖6為L(cháng)ED驅動(dòng)器的功率質(zhì)量參數及整體系統效能。 圖6(a)為總諧波失真和功率因子相對于輸入電壓的數值。 可以發(fā)現總諧波失真和功率因子，對街燈應用的LED驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)都在可接受范圍內(<10%)。 圖6(b)則為L(cháng)ED驅動(dòng)器的效率及電流調節數值。 測試結果顯示，標稱(chēng)輸入電壓下整體效率為92%，整個(gè)線(xiàn)路周期也最少有90%。 整個(gè)輸入電壓范圍內的電流調節均<3%。

　　表1：選擇使用的主要組件

　　V. 結論

　　我們已經(jīng)設計出具有低總諧波失真特性的 LED 驅動(dòng)器，也針對街燈照明應用進(jìn)行驗證。 這種LED驅動(dòng)器的效率極高且電流調節效果良好，適用于大范圍的輸入電壓。 起動(dòng)、定態(tài)和動(dòng)態(tài)效能也都不錯，已經(jīng)過(guò)實(shí)驗認證。 建議使用的這款驅動(dòng)器適合大范圍的街燈照明應用，還有LED街燈照明應用的嚴格規范。

　　作者：Aman Jha, Manoj Kumar 意法半導體印度大諾伊達地區分公司