如何改善高效率街燈照明應(yīng)用的定電流 LED 驅(qū)動(dòng)器總諧波失真

I.簡(jiǎn)介

以發(fā)光二極管 (LED) 取代現(xiàn)有照明設(shè)備時(shí)，選擇設(shè)備的主要標(biāo)準(zhǔn)包括更高的照明質(zhì)量、高效力、環(huán)保和更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命。 因?yàn)楣β饰粶?zhǔn) (power level)增加且成本下降，LED也被視為是 21 世紀(jì)的照明工具。 功率LED現(xiàn)已逐漸應(yīng)用在街燈照明。 但是把LED當(dāng)作一種負(fù)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(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范。 印度對(duì)LED照明的總諧波失真 (Total H armonic D istortion ， THD )設(shè)有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。 為了符合這些標(biāo)準(zhǔn)，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(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode，DCM)中導(dǎo)入磁性， 來降低總諧波失真并提高功率因子。 在連續(xù)導(dǎo)通模式下，功率因子校正(PFC)開關(guān)無(wú)法在零電壓的狀況下運(yùn)作，因此效率不佳。 另一個(gè)問題是這種開關(guān)必須在高峰值電流下運(yùn)作，造成電磁干擾濾波器(EMI filter)的體積變大。 臨界導(dǎo)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(dǎo)電模式的邏輯IC產(chǎn)品已經(jīng)商品化，非常推薦用來提高功率因子、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(biāo)準(zhǔn)，但LED 驅(qū)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(guī)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(gòu)中使用feedback pin injection控制的做法。 這種方式是把來自線路電壓的回饋，注入回饋接腳上橋式轉(zhuǎn)換器的后面，以此改善總諧波失真卻不影響效率及負(fù)載調(diào)節(jié)。 建議使用的轉(zhuǎn)換器適用于主要的傳感技術(shù)，可提高瞬時(shí)響應(yīng)并加速修正。 這種單一階段、單一開關(guān)的做法，可縮小產(chǎn)品尺寸并降低成本。 建議使用的轉(zhuǎn)換器，其原型現(xiàn)正利用HVLED001A商用IC，針對(duì)80W 的 LED 街燈上進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)性認(rèn)證。 測(cè)試結(jié)果完全符合新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)，記錄到的功率因子和總諧波失真為>0.97以及 <10%， 電流調(diào)節(jié)也很高(3%)。 轉(zhuǎn)換器也呈現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)(>92%)。 轉(zhuǎn)換器的熱力學(xué)相當(dāng)穩(wěn)定，因此非常適合街燈照明應(yīng)用現(xiàn)有的燈罩。

II.建議使用的LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)建議

圖 1 為建議使用的 LED 驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)。 在這個(gè)建議使用的架構(gòu)中，輸入電壓的開關(guān)波形被饋入到反饋回路，以便和線路電壓的殘余電流達(dá)成同步。 再使用高效能運(yùn)算放大器來達(dá)到LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)定電流的要求。 圖2為定電流控制器區(qū)塊，用來控制LED模塊的電流。 建議使用的LED驅(qū)動(dòng)器在功能方面分為五個(gè)區(qū)塊。 前兩個(gè)區(qū)塊為線路濾波器和分布式布拉格反射器(DBR)，是類似于其他功率轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)作法。 返馳變換器則是用在零電壓開關(guān)，可提升效率但不致于影響小型LED驅(qū)動(dòng)器的高頻率需求。 LED驅(qū)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(yīng)。 如果LED發(fā)生短路和開路的狀況，它還能提供短路保護(hù)和過電壓保護(hù)。

建議使用的轉(zhuǎn)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(cè)試。 硬件測(cè)試結(jié)果十分良好，完全符合LED照明的嚴(yán)格規(guī)范。 整個(gè)線路周期所測(cè)量到的總諧波失真低于10%，功率因子超過0.97。 因此，建議使用的轉(zhuǎn)換器具有卓越的電力質(zhì)量參數(shù)。 整個(gè)線路周期所測(cè)量到的電流調(diào)節(jié)低于2%。 建議使用的這款驅(qū)動(dòng)器，效率可達(dá)91%以上。 因此，建議采用的拓?fù)淠転榻譄粽彰鲬?yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到優(yōu)良的電源質(zhì)量和高效率。

III.控制架構(gòu)

LED 驅(qū)動(dòng)器 的 控制系統(tǒng) ，是以準(zhǔn)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(gòu)為基礎(chǔ)。 圖2為建議使用的LED驅(qū)動(dòng)器，其返馳功率因子校正控制器的控制架構(gòu)。 功率因子校正架構(gòu)的做法是，一達(dá)到默認(rèn)尖峰電流就關(guān)閉功率因子校正開關(guān)，但當(dāng)零電流檢測(cè)電路的初級(jí)側(cè)去磁達(dá)到第一個(gè)諧振波谷，就把開關(guān)打開。 先使用來自直流總線電壓的高電壓起動(dòng)訊號(hào)來啟動(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(qū)動(dòng)力，LED驅(qū)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(yīng)。 這時(shí)零電流偵測(cè)(Zero Current Detection，ZCD)電路開始運(yùn)轉(zhuǎn)，偵測(cè)現(xiàn)用開關(guān)的零交叉。 閘極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定重設(shè)正反器(SR flip-flop)設(shè)定訊號(hào)，則是來自零電流偵測(cè)訊號(hào)。 正反器的重設(shè)訊號(hào)，取決于回饋訊號(hào)和電流傳感訊號(hào)之間電壓差的倍數(shù)。 為降低總諧波失真，則須將回饋訊號(hào)注入線路電壓包絡(luò)。

要達(dá)到 LED 驅(qū)動(dòng)器的定電流要求，必須傳感 LED 電流，同時(shí)利用光隔離器來控制反饋電壓的閘極驅(qū)動(dòng)。 圖3為定電流控制器的設(shè)計(jì)圖解。 來自LED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(hào)的分位器來設(shè)定，還能設(shè)定電流參考訊號(hào)。 電流參考和電流反饋訊號(hào)之間的電壓差異相同，則可提升電流調(diào)節(jié)效率。

IV.硬件測(cè)試結(jié)果討論

建議使用的 LED 驅(qū)動(dòng)器 已利用 LED 負(fù)載 97V-112V ，在 0.7A 的電流額定下進(jìn)行 測(cè)試。 功率因子校正和直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器則使用HVLED001A商用控制器。 定電流的需求，是利用TSM101A商用模擬控制器來完成的。 表1是我們?yōu)榻ㄗh設(shè)計(jì)所挑選的主要零組件。 圖4則是建議使用LED驅(qū)動(dòng)器的電路板圖片。 測(cè)試結(jié)果顯示總諧波失真表現(xiàn)良好 (<10%)、功率因子高、效率高 ( >90% ) ，整個(gè)線路和負(fù)載狀況的 電流調(diào)節(jié)表現(xiàn)也十分良好 ( <3% ) 。 圖5為測(cè)試裝置的照片，結(jié)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的功率質(zhì)量參數(shù)及整體系統(tǒng)效能。 圖6(a)為總諧波失真和功率因子相對(duì)于輸入電壓的數(shù)值。 可以發(fā)現(xiàn)總諧波失真和功率因子，對(duì)街燈應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器來說都在可接受范圍內(nèi)(<10%)。 圖6(b)則為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的效率及電流調(diào)節(jié)數(shù)值。 測(cè)試結(jié)果顯示，標(biāo)稱輸入電壓下整體效率為92%，整個(gè)線路周期也最少有90%。 整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的電流調(diào)節(jié)均<3%。

表1：選擇使用的主要組件

V.結(jié)論

我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出具有低總諧波失真特性的 LED 驅(qū)動(dòng)器，也針對(duì)街燈照明應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。 這種LED驅(qū)動(dòng)器的效率極高且電流調(diào)節(jié)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(cuò)，已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證。 建議使用的這款驅(qū)動(dòng)器適合大范圍的街燈照明應(yīng)用，還有LED街燈照明應(yīng)用的嚴(yán)格規(guī)范。