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定電流LED驅動器的總諧波失真
改善高效率街燈照明應用

【作者: Aman Jha、Manoj Kumar】   2018年06月14日 星期四

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以發光二極體(LED)取代既有照明設備時,選擇設備的主要標準,包括更高的照明品質、高效力、環保和更長的產品壽命。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當作一種負載並用在這樣的功率範圍,必須接受IEC61000-3-2等電源品質標準所規範。


印度對LED照明的總諧波失真(Total Harmonic Distortion;THD)設有更嚴格的標準,為了符合這些標準,並不推薦採用電容器十分笨重的一般二極體橋式整流器(Diode Bridge Rectifier;DBR),或可藉由在連續導通模式(discontinuous conduction mode;DCM)中導入磁性,來降低總諧波失真並提高功率因數。


在連續導通模式下,功率因數校正(PFC)開關無法在零電壓的狀況下運作,因此效率不佳;另一個問題是這種開關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)是高功率因數最好的選擇,不致影響效率。


市面上有幾款採用臨界導電模式的邏輯IC產品已經商品化,非常推薦用來提高功率因數、降低成本且提升效率;這些商用IC產品符合IEC 1000-3-2 Class C標準,但LED驅動器解決方案的總諧波失真仍在20%之譜,甚至更高,這並不符合LED照明新規範的要求。


為了在不影響效率的情況下改善總諧波失真,建議在架構中使用反饋針腳註入控制的做法。這種方式是把來自線路電壓的回饋,注入回饋針腳上橋式轉換器的後面,藉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於主要的感測技術,可提高暫態響應並加速修正。這種單一階段、單一開關的做法,可縮小產品尺寸並降低成本。建議使用的轉換器,其原型現正利用 HVLED001A商用IC,針對80W的LED街燈上進行實驗性認證,測試結果完全符合新的規範標準。在整個電源電壓範圍內,記錄到的功率因數和總諧波失真為>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%),而轉換器的熱力學相當穩定,因此非常適合街燈照明應用既有的燈罩。


建議使用的LED驅動器架構

圖1為建議使用的LED驅動器架構。在這個建議使用的架構中,輸入電壓的開關波形被饋入反饋迴路,以便和線路電壓的殘餘電流達成同步,再使用高效能運算放大器來達到LED驅動器對定電流的要求。


圖2為定電流控制器區塊,用來控制LED模組的電流。建議使用的LED驅動器在功能方面分為五個區塊。前兩個區塊為線路濾波器和分散式布拉格反射器(DBR),是類似於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關,可提升效率但不致於影響小型LED驅動器的高頻率需求。LED驅動器主要的感測功能可提升恆電壓模式的快速動態反應,如果LED發生短路和開路的狀況,它還能提供短路保護和過電壓保護。



圖1 :  提出高效率低THD LED驅動器
圖1 : 提出高效率低THD LED驅動器

建議使用的轉換器,其原型已利用LED模組97-112VDC,在0.7A的電流額定下進行測試,硬體測試結果十分良好,完全符合LED照明的嚴格規範,整個線路週期所測量到的總諧波失真低於10%,功率因數超過0.97。因此,建議使用的轉換器具有卓越的電力品質參數,整個線路週期所測量到的電流調節低於2%,建議使用的這款驅動器,效率可達91%以上。因此,建議採用的拓撲能為街燈照明應用的LED驅動器,達到優良的電源品質和高效率。


控制架構

LED驅動器的控制系統,是以準諧振(QR)尖峰電流模式的返馳功率因數校正,以及LED定電流控制架構為基礎。圖2為建議使用的LED驅動器,其返馳功率因數校正控制器的控制架構。功率因數校正架構的做法是,一達到預設尖峰電流就關閉功率因數校正開關,但當零電流檢測電路的初級側去磁達到第一個諧振波谷,就把開關打開,先使用來自直流匯流排電壓的高電壓起動訊號來啟動主要的感測控制器。


在啟動期間,控制器會提供必要的閘極驅動力,LED驅動器則提供輸出所需要的電壓,還有控制器的輔助電源供應。這時零電流偵測(Zero Current Detection;ZCD)電路開始運轉,偵測現用開關的零交叉。


閘極驅動器的設定重設正反器(SR flip-flop)設定訊號,則是來自零電流偵測訊號。正反器的重設訊號,取決於回饋訊號和電流感測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路電壓包絡。


要達到LED驅動器的定電流要求,必須感測LED電流,同時利用光隔離器來控制反饋電壓的閘極驅動。圖3為定電流控制器的設計圖解。來自LED燈串的LED電流反饋電壓會流向電流感測輸入,參考電流是利用電壓參考訊號的分位器來設定,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。



圖2 : LED驅動器的QR諧振PFC控制
圖2 : LED驅動器的QR諧振PFC控制

圖3 : LED驅動器的恆流控制器
圖3 : LED驅動器的恆流控制器

硬體測試結果討論

建議使用的LED驅動器已利用LED負載97V-112V,在0.7A的電流額定下進行測試。功率因數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,乃利用TSM101A商用類比控制器來達成。表1為建議設計所挑選的主要零組件。圖4是建議使用LED驅動器的電路板圖片。測試結果顯示總諧波失真表現良好 (<10%)、功率因數高、效率高(>90%),整個線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,結果顯示滿載狀況下總諧波失真為7%,AC輸入電壓為300V。


圖6為LED驅動器的功率品質參數及整體系統效能。圖6(a)為總諧波失真和功率因數相對於輸入電壓的數值,可以發現總諧波失真和功率因數,對街燈應用的LED驅動器來說都在可接受範圍內(<10%),圖6(b)則為LED驅動器的效率及電流調節數值。測試結果顯示,標稱輸入電壓下整體效率為92%,整個線路週期也最少有90%,整個輸入電壓範圍內的電流調節均<3%。


表1:選擇使用的主要組件

品項

零件編號

金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET; SW)

STP10N95K5

超快二極體(Df1)

STTH3L06

橋式整流器

DF206ST

隔離器

VO617-2

功率因數校正控制器

HVLED001A

定電流控制器

TSM101A

線路濾波器

47mH and 100nF

直流匯流排電容器(Cf)

470nF



圖4 : 使用LED驅動器的電路板
圖4 : 使用LED驅動器的電路板

圖5 : LED驅動器測試裝置
圖5 : LED驅動器測試裝置

圖6 :  LED驅動器的功率品質參數及整體系統效能
圖6 : LED驅動器的功率品質參數及整體系統效能

結論

我們已經設計出具有低總諧波失真特性的LED驅動器,也針對街燈照明應用進行驗證。這種LED驅動器的效率極高且電流調節效果良好,適用於大範圍的輸入電壓。起動、定態和動態效能也都不錯,已經過實驗認證,建議使用的這款驅動器適合大範圍的街燈照明應用,還有LED街燈照明應用的嚴格規範。


(本文作者Aman Jha與Manoj Kumar任職於意法半導體印度大諾伊達地區分公司)


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