LED驱动电路功率因数改善探讨及NCP1014解决方案.pdf

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LED驱动电路功率因数改善探讨及NCP1014解决方案pdf,本参考设计将分析现有照明LED驱动电路设计功率因数低的原因,探讨改善功率因数的技术及解决方案,介绍相关设计过程、元器件选择依据、测试数据分享,显示这参考设计如何轻松符合“能源之星”固态照明标准的功率因数要求,非常适合低功率LED照明应用
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。 解决方案 高功率因数通常需要正弦线路电流,且要求线路电流及电流之间的相 位差极小。修改设计的第一步就是在开关段前获得板低的电容,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。如果输入电流保持在相同波形,功率 因数就高。提供给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递,负载将遭 遇线路频率2倍的纹波,本质上类似于谷底填充电路屮出现的纹波。 如上所述,输入电流必须保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通过将反馈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岀纹波来校正。一种选择是大 幅增加输出电流从而城小120Hz纹波总量,某些应用可能要求使用 这种方案。如果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。更为紧凑及廉价的方案是滤除返回至PWM转换器的反 馈信号,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确定 安森美半导体的NCP1014 EDGTGEVE评估板经过了优化,可以驱 动1到8颗大功率高亮度LED,如 Cree xlamP Rebe、 Seoul Semiconductor Z-POWER E OSRAM Golden XR-E/XP-E, Luxeon Dragoη。这设计基于集成了带内部限流功能的高压电源丌关的紧凑 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结束前的初级电感来确定。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 MRA4007 MRA4007 L12.7mH J1-2 MRA4007 MRA40C7 D7 MURES2QTS ⊥E蟲nodp MURAT.0 MME 1LT1 1020u LE Cathod J2- :C85 820 图2:NCP1014 LEDGTGEVE电路图。 设计过程 较高的开关频率可以减小变压器尺寸,但同时会增加开关损耗。本参 考设计选择了100kHz版本的NCP1014作为平衡点。这个单芯片转 换器的能效预计为约75%,因此,要提供8W输出功率,预讣需要 10.6W的输入功率。输入功率范围为是90到265Vac。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考虑因素决定了最大输出功率。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。较低的工作温度伩更多的电能 可以提供给负载。 下文简单介绍本参考设计各电源段所选择的元器件及部分相关选择 哩据。详细的设计过程参见安森美半导体的《用丁“能源之星“ED照 明应用的离线LED驱动器参考设计文档套件》,网址是: http://www.cntronics.com/public/whitepaper/download?id=96 1)电磁干扰(EM滤波器 开关稳压器从输入源消耗电流。有关谐波含量的要求限制了电源输入 电流的高频分量。通常滤波器由电容和电感组成,可以削弱不想要的 信号。输入线路上连接的电容以与输入电压90°的异相导电电流,这 种改变的电流使输入电压与电流之间出现相差,降低了功率因数,故 需要在滤波需求与维持高功率因数之问取得平衡。 根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100nF电容。选择的差分电感L1用于提供LC滤波器频率, 约为开关频率的110。所使用的电感值是: 1=12x+01+n)21/2x+01+10025mn 100HF 实际设计中选择的是2.7mH电感,这是个标准电感值。基于这个 起点,根据经验来调节滤波器以符合导电放射限制。电容C2增加到 了220nF,从而提供放射限制余量。电阻R1限制浪涌电流,并在故 暲事件中提供可熔元件。根据应用环境的不同,可能需要熔丝来符合 安全要求。注意在初级总电容较小的情况下浪涌电流较小。 2)初级针位 二极管D5、电容C3和电阻R2组成钳位网络,控制由反激变压器泄 漏电感造成的电压尖峰。D5应当是快速恢复器件,额定用丁应对峰 值输入电压及反射到变压器初级上的输出电压。600V额定电流为1 A的MURA160快速恢复二极管是二极管D5的适宜选择。电容C3 必须吸收泄漏的能量,同时电压只有极小的增加,1.5nF的电容是以 用于这类低功率应用。电阻R2必须耗散泄漏的能量,但并不必须会 降低能效。电阻R2根据经验选择47kΩ。需要注意的是,电阻R2 和电容C3必须额定用于1255V电压。 3)偏置电源 二极管D6对偏置绕组提供的电源整流。200mA电流时额定电压为 100ⅴ的MMBD914二极管是D6的适宣选择。初级偏置由电容C4 电阻R3和电容C5来滤波。选择的C5为22μF,C4为0.1pF, R3为1.5kQ。 4输出整流器 输岀整流器必须承受远高丁630mA平均输出电流的峰值电流。最大 输出电压为22V,整流器峰值电压为93.2Ⅴ。所选择的输出整流器 是3A、200V、35nS的MURS320,提供低正向压降及快开关时间。 2,000μF的电容将输出纹波电流限制在25%,或是峰峰值144mA 5)电流控制 通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连接感测电阻至通用PNP晶体管Q1的基极射极结 当感测电阻上的压降约为0.6V时,流过R11的电流偏置Q1,使其 导通。Q1决定了流过光耦合器∪2的LED的电流,并受电阻R4限 制。光耦合器U2的晶休管为NCP1014提供反馈电流,控制着输出 电流 设定输出电流lout=630mA则要求感测电阻 RSENSE=0.85Ω。感测 电阻由4颎并联的元件R6、R7、R8和R9组成,选择R6和R7的 阻值为1.8Ω,选择R8的阻值为10Ω,而让R9开路,从而产生约 0839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缓慢的反馈响应时间,仅支持给定 输入电源半周期内反馈电平略微改变。对于这种电流模式的控制器件 而言,最大峰值电流在半周期内几乎保持恒定。与传统反馈系统相比, 这就改善了功率因数。电容C6提供慢速的环路响应,抑制NCP1014 的内部18kΩ上拉电阻及从反馈光耦合器晶体管消耗的电流。从经验 来看,电容C6确定在22μF至47μF的范围之间。 7)变压器 本LED驱动器要求的最低输入电压为90Vac,相应的峰值为126 VaC,在输出功率P=8W、效率()=075及Vin=126V的条件下, 计算出的峰值电流lpk=0.339A。再使用100kHz的开关频率fSW) 值,计算出初级电感(lp)=1858H 这个功率等级适合选择窗口面积(Ac)为02cm2的E16磁芯。最大 磁通密度设定为3kG,可以计算出的初级匝数为105叵(T)。输出电 压限制为22,用于丌路事件下的保扩。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%,达到33V。次级最小匝数 (Ns)将是约20叵 NCP1014需要最低8.1Ⅴ的电压,使转换器工作时DSs功能免于激 活。最低LED电压设计为125V,初级偏置绕组匝数Nb)为约13 币。 8)开路保护 齐纳二极管提供廾路保护。廾路电压由二极管D8电压、电阻R4压 降及光耦合器LED电压之和确定。所选择的齐纳二极管D8的额定 电压为18V。 9)泄漏电阻器及滤波器 电阻R10及电容C10提供小型的放电通道,并为输出滤波。 10)模拟调光 本参考设计包含一个可选的控制部分,这部分电路以模拟电流调节来 调光。出于这个目的,可以增加电阻R12、R14、R15、二极管D9 晶体管Q2等元器件从及接往电位计R3的连接。本设计所选择的 电阻R12的阻值为1kQ,调光电位计R13为10kQ,R14为8209, R15为1kQ。 11)电容寿命 LED照明的其中一项考虑因素是驱动器与LED应当貝有相当的工作 寿命。虽然影响电源可靠性的因素众多,但电解电容对任何电子电路 的整体可靠性至关重要。有必要分析本应用中的电容,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程度 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1000μF、25V、850mA、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过12万小 时 测试结果 相关测试数据是NCP1014 LEDGTGEVB评估板在负载为4颗LED、 工作电流约为630mA条件下测得的,除非另行有申明。图3及图4 是不同条件下的能效测量数据。图5显示的是不同线路电压条件下的 功率因数。需要指出的是,输入电压在90ac至135∨ac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 要求 90115140165190215240265 LINE VOLTAGE VEc) QUIPUI POWER(W)

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