離線高功率因數(shù)TRIAC調(diào)光的綠色LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)
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針對(duì)固態(tài)照明的能效規(guī)范要求
為了促進(jìn)節(jié)能，世界各地的政府機(jī)構(gòu)或規(guī)范組織制定了不同LED照明規(guī)范，主要體現(xiàn)在對(duì)功率因數(shù)(PF)的要求方面。如歐盟的國(guó)際電工同盟(IEC)規(guī)定了功率大于25W照明應(yīng)用的總諧波失真性能，某些地區(qū)的其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也適用這規(guī)定。
另外，美國(guó)能源部制定及發(fā)布了針對(duì)固態(tài)照明燈具的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)自愿性標(biāo)準(zhǔn)包含針對(duì)常見(jiàn)住宅和貿(mào)易照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺(tái)燈)的系列要求，涵蓋最低流明輸出、總體光效、可靠性目標(biāo)、光色溫及一系列其它關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)要求。值得留意的是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中并不直接包含電源能效要求，但包含功率因數(shù)要求，即不論是何種功率等級(jí)，住宅應(yīng)用要求的PF大于0.7，貿(mào)易應(yīng)用要求的PF大于0.9，而集成LED燈光的要求是PF大于0.7。
當(dāng)然，并非所有國(guó)家都盡對(duì)強(qiáng)制要求在照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求。例如，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)可能大力推動(dòng)擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的貿(mào)易應(yīng)用。此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有/維護(hù)街燈時(shí)，他們可以根據(jù)自己的意愿，來(lái)決定是否要求產(chǎn)品擁有高功率因數(shù)(通常大于0.95+)。
13W LED嵌燈設(shè)計(jì)示例
1)參照代用標(biāo)正確立最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)
以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標(biāo)準(zhǔn)為例，這標(biāo)準(zhǔn)包含決定燈具光效的總體性要求；實(shí)際上，這標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，涉及所選LED、現(xiàn)場(chǎng)工作溫度、光學(xué)組件、驅(qū)動(dòng)器電源轉(zhuǎn)換能效等。燈具開(kāi)發(fā)職員因而可以在LED的選擇、光學(xué)組件的使用、熱治理方案、驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方面折衷取舍，從而符合整體要求。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及貿(mào)易應(yīng)用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對(duì)嵌燈的關(guān)鍵系統(tǒng)要求。
表1：“能源之星”1.1版住宅及貿(mào)易固態(tài)照明規(guī)范之嵌燈關(guān)鍵要求
由于沒(méi)有直接適用的LED驅(qū)動(dòng)器能效標(biāo)準(zhǔn)，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標(biāo)準(zhǔn)作為代用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)，額定功率在1到49W之間的標(biāo)準(zhǔn)電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此，符合這標(biāo)準(zhǔn)的12W額定功率電源的最低能效為77.7%，15W電源則為79.1%。由于LED燈具標(biāo)準(zhǔn)基于輸進(jìn)插座能效，有必要將驅(qū)動(dòng)器能效目標(biāo)轉(zhuǎn)換為有效的LED負(fù)載。為了增加一些設(shè)計(jì)裕量，我們將最低目標(biāo)能效定為80%。這樣一來(lái)，LED負(fù)載就為16.4W×80%，即13.1W。
這樣，我們就確定了最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)。LED光效受制于LED制造商以及驅(qū)動(dòng)電流和工作溫度。安森美半導(dǎo)體這GreenPoint參考設(shè)計(jì)選擇的是350mA的恒定電流，支持市場(chǎng)上大多數(shù)高亮度功率LED。另一個(gè)要顧及的因素是燈具開(kāi)發(fā)職員可以選擇寬范圍的LED，所選LED的光效越高，要求采用的LED數(shù)目就越少。因此，這GreenPoint參考設(shè)計(jì)在50%至100%額定負(fù)載時(shí)的能效應(yīng)當(dāng)較高。隨著LED光效的提升，可以輕易修改同一個(gè)基本電源設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)更少的LED，從而提供遠(yuǎn)高于最低要求的燈具光效。
2)其它設(shè)計(jì)要求
確定了基本設(shè)計(jì)要求，就需要考慮與終端應(yīng)用需求有關(guān)的其它系統(tǒng)因素。例如，固然標(biāo)準(zhǔn)中并無(wú)要求，但兼容已有線路調(diào)光方案很重要。因此，應(yīng)當(dāng)針對(duì)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件(TRIAC)壁式調(diào)光器來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。TRIAC調(diào)光的挑戰(zhàn)不少，但有一項(xiàng)因素設(shè)計(jì)職員可能輕易忽略，就是驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)能夠能在低斬波(chopped)交流輸進(jìn)波形條件下啟動(dòng)及工作。而且，驅(qū)動(dòng)電源的尺寸應(yīng)當(dāng)匹配嵌燈燈具接線盒。還應(yīng)該留意一項(xiàng)人的因素要求。固然LED實(shí)際上在瞬間之間就發(fā)光，但驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要留出特定的啟動(dòng)時(shí)間。不管是什么LED燈具，這方面的表現(xiàn)都應(yīng)該不比CFL差，甚至應(yīng)該更好。所以，我們可以把CFL作為參照基準(zhǔn)。“能源之星”CFL燈泡要求中，額定條件下最大啟動(dòng)時(shí)間為1秒，因此，我們將就LED驅(qū)動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)間方面的設(shè)計(jì)目標(biāo)定在0.5秒。由于這個(gè)設(shè)計(jì)面向住宅或貿(mào)易應(yīng)用，因此我們定下的規(guī)格目標(biāo)更具挑戰(zhàn)性。表2總結(jié)了本GreenPoint參考設(shè)計(jì)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
表2：關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)
要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、電源能效目標(biāo)及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于功率目標(biāo)較低，傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無(wú)法滿足要求了。因此，我們使用了基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)目，降低系統(tǒng)總本錢。但采用單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)也會(huì)受到一些影響，如無(wú)低級(jí)高壓能量存儲(chǔ)，輸出電壓保持時(shí)間較短。另外，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來(lái)滿足維持要求，及對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載反應(yīng)較慢等。有利的是，這對(duì)眾多LED照明應(yīng)用而言不構(gòu)成題目，由于LED照明應(yīng)用無(wú)系統(tǒng)維持時(shí)間要求，而且紋波匯進(jìn)均勻光輸出，人眼不會(huì)察覺(jué)。
設(shè)計(jì)針對(duì)高功率因數(shù)(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求，并使輸進(jìn)電流波形看上往象是電阻型載的波形。這對(duì)兼容TRIAC調(diào)光非常重要，由于TRIAC調(diào)光器原本用于白熾燈，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻，即充當(dāng)電阻型負(fù)載。用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸進(jìn)電壓波形保持同相。
圖1顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化功能框圖。從圖1中可以看出，隔離反激的次級(jí)端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個(gè)主要功能，一是緊密穩(wěn)流350mA的恒定電流，并為低級(jí)端提供反饋，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)流經(jīng)LED的恒定電流進(jìn)行穩(wěn)流；二是在發(fā)生開(kāi)路事件時(shí)，進(jìn)進(jìn)恒壓控制模式，在故障事件下產(chǎn)生穩(wěn)壓固定電壓。開(kāi)路電壓穩(wěn)壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制。此外，無(wú)意中碰到輸出短路時(shí)，還能限制功率，避免損壞LED。
這GreenPoint參考設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程參見(jiàn)安森美半導(dǎo)體另行提供的NCL3000數(shù)據(jù)表及兩篇設(shè)計(jì)筆記，參見(jiàn)參考資料[2]至[5]。
圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化框圖
測(cè)試結(jié)果顯示，這參考設(shè)計(jì)的性能超過(guò)了表2中所列的全部設(shè)計(jì)目標(biāo)，參見(jiàn)圖2(詳見(jiàn)參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)和輸進(jìn)電流總諧波失真，可以看出這參考設(shè)計(jì)的功率因數(shù)很高(超過(guò)貿(mào)易照明0.9的最低功率因數(shù)要求)，總諧波失真低(20%)。圖3顯示了不同負(fù)載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個(gè)工作點(diǎn)下的能效作均勻計(jì)算，可得出總均勻能效為80.7%；而在50%至100%負(fù)載的關(guān)鍵工作區(qū)域，能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設(shè)計(jì)定下的80%能效目標(biāo)，還超過(guò)了EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)15W電源79.1%的能效要求。損耗來(lái)源中包含輸進(jìn)EMI段支持TRIAC調(diào)光所需的15歐姆限流電阻的能耗。
圖2：90至135 Vac輸進(jìn)線路電壓條件下的功率因數(shù)和總諧波失真
圖3：輸進(jìn)電壓為115 Vac時(shí)不同負(fù)載條件下的能效
要設(shè)計(jì)滿足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線LED驅(qū)動(dòng)器存在不少挑戰(zhàn)。本參考設(shè)計(jì)文檔顯示，安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段
評(píng)論