符合“能源之星”固態照明標準的離線型LED驅動器GreenPoint參考設計

隨著高亮度發光二極體(HB-LED) 全面改善光輸出、能效及成本,同時結合小巧、低壓工作及環保等眾多優勢,LED照明(也稱固態照明,SSL)正掀起一場照明革命。而在節能環保的趨勢下,LED照明自然也成為眾多規範機構所瞄準的目標。例如美國能源部“能源之星”項目的1.1版固態照明標準自2009年2月開始生效,中國的中國標準化研究院也正協同相關機構,準備在2010年發佈中國版本的LED照明能效標準。

就“能源之星”的新版固態照明標準而言,此標準的一項重要特點是要求多種住宅照明產品的功率因數最低要達到0.7,其中的一些典型產品有可攜式檯燈、櫥櫃燈及戶外走廊燈等。這類LED照明應用的功率一般在1到12 W間,屬於低功率應用。這類低功率應用最適宜的電源拓撲結構是隔離型反激拓撲結構。不利的是,現有用於設計這些電源的標準設計技術通常使得功率因數(PF)僅在0.5至0.6的範圍。本文將分析現有設計功率因數低的原因,探討改善功率因數的技術及解決方案,介紹相關設計過程及分享測試部分資料,顯示此參考設計如何輕鬆符合“能源之星”固態照明規範對住宅LED照明應用功率因數的要求。

設計背景
典型離線反激電源轉換器在開關穩壓器前面採用全波橋整流器及大電容,選擇這種配置的原因是每2個線路週期內線路功率降低,直到零,然後上升至下一個峰值。大電容作為儲能元件,填補相應所缺失的功率,為開關穩壓器提供更加恆定的輸入,維持電能流向負載。這種配置的功率利用率或輸入線路波形的功率因數較低。線路電流在接近電壓波形峰值的大幅度窄脈衝處消耗,引入了干擾性的高頻諧波。

業界有關被動式功率因數校正( Passive PFC)的方案眾多,這些方案通常都使用較多的額外元器件,其中一種方案就是谷底填穀(valley-fill)整流器,其採用的電解電容和二極體組合增大了線路頻率導通角,從而改善功率因數。實際上,這個過程利用高線路電壓以低電流給串聯電容充電,然後在較低電壓時以較大電流讓電容放電給開關穩壓器。典型應用使用2個電容和3個二極體,而要進一步增強功率因數性能,則使用3顆電容和6個二極體。

圖1:典型填穀電路。

雖然填穀整流器提高了線路電流的利用率,但並未給開關穩壓器提供恆定的輸入。提供給負載的功率會有較大紋波,達線路電源頻率的2倍。需要指出的是,仍然需要4個二極體來對線路電源整流,使這種方案所用的二極體數量達到7個或10個。這些二極體及多個電解電容增加了方案成本,降低了可靠性,並佔用了可觀的電路板面積。

另外一種方案是在反激轉換器前採用主動式功率因素校正(Active PFC),如NCP1607B。這種方案提供典型性能高於0.98的優異功率因數,但增加了元件數量、降低了效率及增加了複雜性,最適用的功率電平遠高於本應用的功率電平。

解決方案

高功率因數通常需要正弦線路電流,且要求線路電流及電壓之間的相位差極小。修改設計的第一步就是在開關段前獲得極低的電容,從而得到更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓,產生更理想的正弦輸入電流。這樣,反激轉換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形,功率因數就高。提供給負載的能量就是電壓與電流的乘積,是一個正弦平方(sine−squared)波形。由於這種正弦平方波形的能量傳遞,負載將遭遇線路頻率2倍的紋波,本質上類似於填穀電路中出現的紋波。

如上所述,輸入電流必須保持在幾近正弦的波形,從而實現高功率因數。高功率因數的關鍵在於通過將回饋輸入維持在與線路頻率相關的恆定電平,不允許控制環路針對輸出紋波來校正。一種選擇是大幅增加輸出電容,從而減小120 Hz紋波量,某些應用可能要求使用這種方案。如果頻率高於可見光感知範圍,通用照明應用的LED更能容忍紋波。更緊湊及廉價的方案是濾除返回至PWM轉換器的回饋訊號,確立接近恆定的電平。這個電平固定了電源開關中的最大電流。電源開關的電流由施加的瞬態輸入電壓除以變壓器初級電感再乘以電源開關導通時間長度來確定。

安森美半導體的NCP1014LEDGTGEVB評估板經過了優化,可以驅動1到8顆大功率高亮度LED,如Cree XLAMP® XR−E/XP−E、Luxeon™ Rebel、Seoul Semiconductor Z−POWER®或OSRAM Golden Dragon™。此設計基於整合帶內部限流功能的高壓電源開關的緊湊型固定頻率脈衝寬調變(PWM)轉換器NCP1014而建構。由於NCP1014採用固定頻率工作,電流不能上升到高於某個特定點;這個點由輸入電壓及開關週期或導通時間結束前的初級電感來確定。由於導通時間的限制,輸入電流將跟隨輸入電壓的波形,從而提供更高的功率因數。相關電路圖見圖2。


圖2:NCP1014LEDGTGEVB電路圖。

設計過程
較高的開關頻率可以減小變壓器尺寸,但同時會增加開關損耗。本參考設計選擇了100 kHz版本的NCP1014作為平衡點。這個單片轉換器的能效預計約為75%,因此,要提供8 W輸出功率,預計需要10.6 W的輸入功率。輸入工作電壓範圍是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半導體的動態自供電(DSS)電路,藉減少元件數量簡化了啟動。此整合控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區域會散熱並降溫。當轉換器工作時,反激變壓器上的偏置繞組會關閉DSS,降低轉換器的功耗。較低的工作溫度能提供給負載更多的電能。

下文簡單介紹本參考設計各電源段所選擇的元器件及部分相關選擇理據。詳細的設計過程參見安森美半導體的《用於“能源之星”LED照明應用的離線LED驅動器參考設計文檔套件》,網址是:http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF。

1)電磁干擾(EMI)濾波器

開關穩壓器從輸入源消耗脈衝電流。有關諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成,可以削弱不良訊號。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓呈90° 的異相電流導通,這種轉移電流通過位移輸入電壓與電流之間的相位降低了功率因數,故需要在濾波需求與維持高功率因數之間取得平衡。

根據電磁干擾的屬性及濾波器元件的複雜特性,電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用於提供L-C濾波器頻率,約為開關頻率的1/10。所使用的電感值是:

實際設計中選擇的是2.7 mH電感,這是一個標準電感值。基於這個起點,根據經驗來調節濾波器以符合傳導干擾限制。電容C2增加到了220 nF,從而提供干擾限制餘量。電阻R1限制突波電流,並在出現故障時提供易熔元件。根據應用環境的不同,可能需要熔絲來滿足安全要求。注意在初級總電容較小的情況下突波電流較小。

2)初級鉗位

二極體D5、電容C3和電阻R2組成鉗位元網路,控制由反激變壓器洩漏電感造成的電壓尖峰。D5應當是一個快速恢復元件,額定用於應對峰值輸入電壓及反射到變壓器初級上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復二極體是D5的適宜選擇。電容C3必須吸收洩漏的能量,同時電壓只有極小的增加,1.5 nF的電容足以用於這類低功率應用。電阻R3必須耗散洩漏的能量,但不一定會降低能效。該電阻根據經驗選擇47 kΩ。需要注意的是,該電阻和電容C3的額定電壓是125.5 V。

3)偏置電源

二極體D6對偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時額定電壓為100 V的MMBD914二極體是D6的適宜選擇。初級偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來濾波。選擇的C5為2.2 µF,C4為0.1 µF,R3為1.5 kΩ。

4)輸出整流器

輸出整流器必須承受遠高於630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V,整流器峰值電壓為93.2 V。所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320,提供低正向壓降及快開關時間。2,000 µF的電容將輸出紋波電流限制在25%,或是峰-峰值144 mA。

5)電流控制

通過監測與輸出串聯的感測電阻RSENSE的壓降,維持恆定的電流輸出。電阻R11連接感測電阻至通用PNP電晶體Q1的基極-射極結。當感測電阻上的壓降約為0.6 V時,流過R11的電流偏置Q1,使其導通。Q1決定了流過光耦合器U2的LED的電流,並受電阻R4限制。光耦合器U2的電晶體為NCP1014提供回饋電流,控制著輸出電流。

設定輸出電流Iout=630 mA則要求感測電阻RSENSE=0.85 Ω。感測電阻由4顆並聯的元件R6、R7、R8和R9組成,選擇R6和R7的阻值為1.8 Ω,選擇R8的阻值為10 Ω,而讓R9開路,從而產生約0.83 Ω的總感測電阻。

6)功率因數控制

在本電路中維持高功率因數有賴於緩慢的回饋反應時間,僅支持給定輸入電源半週期內回饋電平略有改變。對於這種電流模式的控制元件而言,最大峰值電流在半週期內幾乎保持恆定。與傳統回饋系統相比,這就改善了功率因數。電容C6提供慢速的環路回應,抑制NCP1014的內部18 kΩ上拉電阻及來自回饋光耦合器電晶體的電流。從經驗來看,電容C6確定在22 µF至47 µF的範圍之間。

7)變壓器

本LED驅動器要求的最低輸入電壓為90 Vac,相應的峰值為126 Vac,在輸出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的條件下,計算出的峰值電流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的開關頻率(fSW)值,計算出初級電感(Ip)=1858 µH。

這個功率等級適合選擇視窗面積(Ac)為0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度設定為3 kG,可以計算出的初級匝數為105匝(T)。輸出電壓限制為22 V,用於開路負載事件下的保護。為了提供一些輸出電壓餘量及降低占空比,輸出電壓值增加50%,達到33 V。次級最小匝數(Ns)將是約20匝。

NCP1014需要最低8.1 V的電壓,使轉換器工作時DSS功能免於啟動。最低LED電壓設計為12.5 V,初級偏置繞組匝數(Nb)約為13匝。

8)開路保護

齊納二極體提供開路負載保護。開路電壓由二極體D8電壓、電阻R4壓降及光耦合器LED電壓的加總而確定。所選擇的齊納二極體D8的額定電壓為18 V。

9)洩漏電阻器及濾波器

電阻R10及電容C10提供小型的放電通道,並過濾輸出雜訊。

10)模擬調光

本參考設計包含一個可選的控制部分,以實現模擬電流調節的調光。基於這個目的,可以增加電阻R12、R14、R15、二極體D9、電晶體Q2等元器件從及至電位計R13的連接。本設計所選擇的電阻R12的阻值為1 kΩ,調光電位計R13為10 kΩ,R14為820 Ω,R15為1 kΩ。

11)電容壽命

LED照明的其中一項考慮因素是驅動器與LED應當具有相當的工作壽命。雖然影響電源可靠性的因素眾多,但電解電容對任何電子電路的整體可靠性至關重要。有必要分析本應用中的電容,並選擇恰當電解電容,從而提供較長的工作壽命。電解電容的可用壽命在很大程度上受環境溫度及內部溫升影響。本參考設計選擇的電容是松下的ECA-1EM102,額定值為1000 µF、25 V、850 mA、2,000小時及85℃。在假定50℃環境溫度條件下,這電容的可用壽命超過12萬小時。

測試結果

相關測試資料是NCP1014LEDGTGEVB評估板在負載為4顆LED、工作電流約為630 mA條件下測得的,除非另行有說明。圖3及圖4是不同條件下的能效測量資料。圖5顯示的是不同線路電壓條件下的功率因數。需要指出的是,輸入電壓在90 Vac至135 Vac範圍內時,功率因數高於0.8,遠高於“能源之星”的LED住宅照明應用功率因數要求。


圖3:Vin=115 Vac、不同輸出負載時的能效


圖4:Pout=8.5 W、不同線路電壓時的能效


圖5:不同線路電壓時的功率因數。

總結:

“能源之星”標準為固態照明提供了量化要求,使LED驅動器面臨一些新的要求,如功率因數校正。這就需要新穎的解決方案來滿足這些要求,同時還不會增加電路複雜性及成本。本文結合優化的NCP1014LEDGTGEVB評估板,介紹了安森美半導體的離線型8 W LED驅動器參考設計的設計背景、解決方案及設計過程,並分享了相關能效及功率因數測試結果,顯示此參考設計提供較高的能效,符合“能源之星”固態照明標準的功率因數要求,非常適合這類低功率LED照明應用。

參考資料:

1. ENERGY STAR SSL Luminaire Specification, Version 1.1

http://www.energystar.gov/index.cfm?c=new_specs.ssl_luminaires

2. Cree XLAMP MC−E Specification

http://www.cree.com/products/xlamp_mce.asp

3. Fraen Reflector Optics for Cree MC−E

http://www.fraensrl.com/prodinfo.html

4. ON Semiconductor Design Note DN06051: Improving the Power Factor of Isolated Flyback Converters for Residential ENERGY STAR LED Luminaire Power Supplies

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/DN06051−D.PDF

5. LED Desk Lamp Conversion White Paper TND358

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND358−D.PDF

供稿:安森美半導體

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