◎ 技术资讯

LED驱动电路提高功率因数

发布者:topday   发布时间: 2010-06-22 08:54 浏览次数: :

    高功率因数通常需求正弦线路电流,且请求线路电流及电流之间的相位差极小。修正设计的第一步就是在开关段前取得极低的电容,从而支持更贴近正弦波形的输入电流。这使整流电压跟随线路电压,产生更合意的正弦输入电流。这样,反激转换器的输入电压就以线路频率的2倍跟随整流正弦电压波形。假如输入电流坚持在相同波形,功率因数就高。提供应负载的能量就是电压与电流的乘积,是正弦平方(sine-squared)波形。由于这种正弦平方波形的能量传送,负载将遭遇线路频率2倍的纹波,实质上相似于谷底填充电路中呈现的纹波。

       如上所述,输入电流必需坚持在几近正弦的波形,从而提供高功率因数。提供高功率因数的关键在于经过将反应输入维持在与线路频率相关的恒定电平,不允许控制环路针对输出纹波来校正。一种选择是大幅增加输出电流从而减小120 Hz纹波总量,某些应用可能请求运用这种计划。假如频率高于可见光感知范围,通用照明应用的LED更能容受纹波。更为紧凑及低价的计划是滤除返回至PWM转换器的反应信号,确立接近恒定的电平。这个电平固定了电源开关中的最大电流。电源开关的电流由施加的瞬态输入电压除以变压器初级电感再乘以电源开关导电的时间长度所肯定。

 

本参考设计将剖析现有照明LED驱动电路设计功率因数低的缘由,讨论改善功率因数的技术及处理计划,引见相关设计过程、元器件选择根据、测试数据分享,显现这参考设计如何轻松契合“能源之星”固态照明规范的功率因数请求,十分合适低功率LED照明应用。


安森美半导体的NCP1014LEDGTGEVB评价板经过了优化,能够驱动1到8颗大功率高亮度LED,如Cree XLAMP XR-E/XP-E、Luxeon Rebel、Seoul Semiconductor Z-POWER或OSRAM Golden Dragon。这设计基于集成了带内部限流功用的高压电源开关的紧凑型固定频率脉宽调制(PWM)转换器NCP1014构建。由于NCP1014采用固定频率工作,电流不能上升到高于某个特定点;这个点由输入电压及开关周期或导电时间完毕前的初级电感来肯定。由于导电时间的限制,输入电流将跟随输入电压的波形,从而提供更高的功率因数。相关电路图见图2。


无源PFC与有源PFC计划比拟

典型离线反激电源转换器在开关稳压器前面采用全波桥整流器及大电容,选择这种配置的缘由是每2个线路周期内线路功率降低,直到零,然后上升至下一个峰值。大电容作为储能元件,填补相应所缺失的功率,为开关稳压器提供愈加恒定的输入,维持电能流向负载。这种配置的功率应用率或输入线路波形的功率因数较低。线路电流在接近电压波形峰值的大幅度窄脉冲处耗费,引入了干扰性的高频谐波。

业界有关无源(Passive)功率因数校正(PFC)的计划众多,这些计划通常都运用较多的额外元器件,其中的一种计划就是谷底填充(valley-fill)整流器,其中采用的电解电容和二极管组合增大了线路频率导电角,从而改善功率因数。实践上,这个过程从高线路电压处以低电流给串联电容充电,然后在较低电压时以较大电流让电容放电给开关稳压器。典型应用运用2个电容和3个二极管,而要进一步加强功率因数性能,则运用3颗电容和6个二极管。                         

图1:典型谷底填充电路
图1:典型谷底填充电路。

固然谷底填充整流器进步了线路电流的应用率,但并未给开关稳压器提供恒定的输入。提供应负载的功率具有较大纹波,达线路电源频率的2倍。需求指出的是,依然需求4个二极管来对线路电源整流,使这种计划所用的二极管数量到达7个或10个。这些二极管及多个电解电容增加了计划本钱,降低了牢靠性,并占用了可观的电路板面积。

另外一种计划是在反激转换器前采用有源(Active) PFC段,如NCP1607B。这种计划提供典型性能高于0.98的优良功率功数,但增加了元件数量、降低了效率及增加了复杂性,最适用的功率电平远高于本应用的功率电平。

 

图2:NCP1014LEDGTGEVB电路图

图2:NCP1014LEDGTGEVB电路图。


较高的开关频率能够减小变压器尺寸,但同时会增加开关损耗。本参考设计选择了100 kHz版本的NCP1014作为均衡点。这个单芯片转换器的能效估计为约75%,因而,要提供8 W输出功率,估计需求10.6 W的输入功率。输入功率范围为是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半导体的动态自供电(DSS)电路,藉减少元件数量简化了启动。这集成控制器的散热思索要素决议了最大输出功率。电路板上的铜区域会散热并降温。当转换器工作时,反激变压器上的偏置绕组会关闭DSS,降低转换器功率耗散。较低的工作温度使更多的电能能够提供应负载。

下文简单引见本参考设计各电源段所选择的元器件及局部相关选择理据。细致的设计过程参见安森美半导体的《用于“能源之星”LED照明应用的离线LED驱动器参考设计文档套件》,

1)电磁干扰(EMI)滤波器

开关稳压器从输入源耗费电流。有关谐波含量的请求限制了电源输入电流的高频重量。通常滤波器由电容和电感组成,能够削弱不想要的信号。输入线路上衔接的电容以与输入电压90°的异相导电电流,这种改动的电流使输入电压与电流之间呈现相差,降低了功率因数,故需求在滤波需求与维持高功率因数之间获得均衡。

依据电磁干扰的属性及滤波器元件的复杂特性,电容C1和C2起始选择了100 nF电容。选择的差分电感L1用于提供L-C滤波器频率,约为开关频率的1/10。所运用的电感值是:

 

 


实践设计当选择的是2.7 mH电感,这是一个规范电感值。基于这个起点,依据经历来调理滤波器以契合导电放射限制。电容C2增加到了220 nF,从而提供放射限制余量。电阻R1限制浪涌电流,并在毛病事情中提供可熔元件。依据应用环境的不同,可能需求熔丝来契合平安请求。留意在初级总电容较小的状况下浪涌电流较小。

2)初级钳位
二极管D5、电容C3和电阻R2组成钳位网络,控制由反激变压器走漏电感形成的电压尖峰。D5应当是快速恢复器件,额定用于应对峰值输入电压及反射到变压器初级上的输出电压。600 V额定电流为1 A的MURA160快速恢复二极管是二极管D5的适合选择。电容C3必需吸收走漏的能量,同时电压只要极小的增加,1.5 nF的电容足以用于这类低功率应用。电阻R2必需耗散走漏的能量,但并不用须会降低能效。电阻R2依据经历选择47 kΩ。需求留意的是,电阻R2和电容C3必需额定用于125.5 V电压。

3)偏置电源
二极管D6对偏置绕组提供的电源整流。200 mA电流时额定电压为100 V的MMBD914二极管是D6的适合选择。初级偏置由电容C4、电阻R3和电容C5来滤波。选择的C5为2.2 µF,C4为0.1 µF,R3为1.5 kΩ。

4)输出整流器
输出整流器必需接受远高于630 mA均匀输出电流的峰值电流。最大输出电压为22 V,整流器峰值电压为93.2 V。所选择的输出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320,提供低正向压降及快开关时间。2,000 µF的电容将输出纹波电流限制在25%,或是峰-峰值144 mA。

5)电流控制
经过监测与输出串联的感测电阻RSENSE的压降,维持恒定的电流输出。电阻R11衔接感测电阻至通用PNP晶体管Q1的基极-射极结。当感测电阻上的压降约为0.6 V时,流过R11的电流偏置Q1,使其导通。Q1决议了流过光耦合器U2的LED的电流,并受电阻R4限制。光耦合器U2的晶体管为NCP1014提供反应电流,控制着输出电流。

设定输出电流Iout=630 mA则请求感测电阻RSENSE=0.85 Ω。感测电阻由4颗并联的元件R6、R7、R8和R9组成,选择R6和R7的阻值为1.8 Ω,选择R8的阻值为10 Ω,而让R9开路,从而产生约0.83 Ω的总感测电阻。

6)功率因数控制
在本电路中维持高功率因数有赖于迟缓的反应响应时间,仅支持给定输入电源半周期内反应电平稍微改动。关于这种电流形式的控制器件而言,最大峰值电流在半周期内简直坚持恒定。与传统反应系统相比,这就改善了功率因数。电容C6提供慢速的环路响应,抑止NCP1014的内部18 kΩ上拉电阻及从反应光耦合器晶体管耗费的电流。从经历来看,电容C6肯定在22 µF至47 µF的范围之间。

7)变压器
本LED驱动器请求的最低输入电压为90 Vac,相应的峰值为126 Vac,在输出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的条件下,计算出的峰值电流Ipk=0.339 A。再运用100 kHz的开关频率(fSW)值,计算出初级电感(Ip)=1858 µH。

这个功率等级合适选择窗口面积(Ac)为0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度设定为3 kG,能够计算出的初级匝数为105匝(T)。输出电压限制为22 V,用于开路事情下的维护。为了提供一些输出电压余量及降低占空比,输出电压值增加50%,到达33 V。次级最小匝数(Ns)将是约20匝。

NCP1014需求最低8.1 V的电压,使转换器工作时DSS功用免于激活。最低LED电压设计为12.5 V,初级偏置绕组匝数(Nb)为约13匝。

8)开路维护
齐纳二极管提供开路维护。开路电压由二极管D8电压、电阻R4压降及光耦合器LED电压之和肯定。所选择的齐纳二极管D8的额定电压为18 V。

9)走漏电阻器及滤波器
电阻R10及电容C10提供小型的放电通道,并为输出滤波。

10)模仿调光
本参考设计包含一个可选的控制局部,这局部电路以模仿电流调理来调光。出于这个目的,能够增加电阻R12、R14、R15、二极管D9、晶体管Q2等元器件从及接往电位计R13的衔接。本设计所选择的电阻R12的阻值为1 kΩ,调光电位计R13为10 kΩ,R14为820 Ω,R15为1 kΩ。

11)电容寿命
LED照明的其中一项思索要素是驱动器与LED应当具有相当的工作寿命。固然影响电源牢靠性的要素众多,但电解电容对任何电子电路的整体牢靠性至关重要。有必要剖析本应用中的电容,并选择恰当电解电容,从而提供较长的工作寿命。电解电容的可用寿命在很大水平上受环境温度及内部温升影响。本参考设计选择的电容是松下的ECA-1EM102,额定值为1000 µF、25 V、850 mA、2,000小时及85℃。在假定50℃环境温度条件下,这电容的可用寿命超越12万小时。

测试结果
相关测试数据是NCP1014LEDGTGEVB评价板在负载为4颗LED、工作电流约为630 mA条件下测得的,除非另行有声明。图3及图4是不同条件下的能效丈量数据。图5显现的是不同线路电压条件下的功率因数。需求指出的是,输入电压在90 Vac至135 Vac范围内时,功率因数高于0.8,远高于“能源之星”的LED住宅照明应用功率因数请求。

 

 

图3:Vin=115 Vac、不同输出负载时的能效

 

 

 

图4:Pout=8.5 W、不同线路电压时的能效

 


图3:Vin=115 Vac、不同输出负载时的能效              图4:Pout=8.5 W、不同线路电压时的能效

图5:不同线路电压时的功率因数

图5:不同线路电压时的功率因数。

本文链接:http://www.leddianyuan.com/jishuzixun/2010/0622/443.html

◎ 热点新闻:
  • 点击这里给我发消息
  • 点击这里给我发消息