如何改善高效率街灯照明应用的定电流 LED 驱动器总谐波失真

无论是从保护电力系统的安全还是从保护用电设备和人身的安全来看，严格控制并限定电流谐波含量，以减少谐波污染造成的危害已成为人们的共识。

作者：意法半导体印度大诺伊达地区分公司

Aman Jha, Manoj Kumar

I.        简介

以发光二极管 (LED) 取代现有照明设备时，选择设备的主要标准包括更高的照明质量、高效力、环保和更长的产品寿命。 因为功率位准 （power level）增加且成本下降，LED也被视为是 21 世纪的照明工具。 功率LED现已逐渐应用在街灯照明。 但是把LED当作一种负载并用在这样的功率范围，必须接受IEC61000-3-2等电源质量标准所规范。 印度对LED照明的总谐波失真 （Total H armonic D istortion ， THD ）设有更严格的标准。 为了符合这些标准，并不推荐采用电容器十分笨重的一般二极管桥式整流器（Diode Bridge Rectifier，DBR ）。 或可借助在连续导通模式（discontinuous conduction mode，DCM）中导入磁性， 来降低总谐波失真并提高功率因子。 在连续导通模式下，功率因子校正（PFC）开关无法在零电压的状况下运作，因此效率不佳。 另一个问题是这种开关必须在高峰值电流下运作，造成电磁干扰滤波器（EMI filter）的体积变大。 临界导电模式（Critical Conduction Mode，CRM）是高功率因子最好的选择，不致影响效率。 市面上有几款采用临界导电模式的逻辑IC产品已经商品化，非常推荐用来提高功率因子、降低成本且提升效率。 这些商用IC产品符合IEC 1000-3-2 Class C标准，但LED 驱动器解决方案的总谐波失真仍在20% ，甚至更高。 这并不符合LED照明新规范的要求。 为了在不影响效率的情况下改善总谐波失真，建议在架构中使用feedback pin injection控制的做法。 这种方式是把来自线路电压的回馈，注入回馈接脚上桥式转换器的后面，以此改善总谐波失真却不影响效率及负载调节。 建议使用的转换器适用于主要的传感技术，可提高瞬时响应并加速修正。 这种单一阶段、单一开关的做法，可缩小产品尺寸并降低成本。 建议使用的转换器，其原型现正利用HVLED001A商用IC，针对80W 的 LED 街灯上进行 实验性认证。 测试结果完全符合新的规范标准。 在整个电源电压范围内，记录到的功率因子和总谐波失真为>0.97以及 <10%， 电流调节也很高（3%）。 转换器也呈现高效率运转（>92%）。 转换器的热力学相当稳定，因此非常适合街灯照明应用现有的灯罩。

II.        建议使用的LED驱动器架构建议

图 1 为建议使用的 LED 驱动器架构。 在这个建议使用的架构中，输入电压的开关波形被馈入到反馈回路，以便和线路电压的残余电流达成同步。 再使用高效能运算放大器来达到LED驱动器对定电流的要求。 图2为定电流控制器区块，用来控制LED模块的电流。 建议使用的LED驱动器在功能方面分为五个区块。 前两个区块为线路滤波器和分布式布拉格反射器（DBR），是类似于其他功率转换器的传统作法。 返驰变换器则是用在零电压开关，可提升效率但不致于影响小型LED驱动器的高频率需求。 LED驱动器主要的传感功能可提升恒电压模式的快速动态反应。 如果LED发生短路和开路的状况，它还能提供短路保护和过电压保护。

建议使用的转换器 ，其原型已利用 LED 模块 97-112VDC ，在 0.7A 的电流额定下进行 测试。 硬件测试结果十分良好，完全符合LED照明的严格规范。 整个线路周期所测量到的总谐波失真低于10%，功率因子超过0.97。 因此，建议使用的转换器具有卓越的电力质量参数。 整个线路周期所测量到的电流调节低于2%。 建议使用的这款驱动器，效率可达91%以上。 因此，建议采用的拓扑能为街灯照明应用的LED驱动器，达到优良的电源质量和高效率。

III.        控制架构

LED 驱动器 的 控制系统 ，是以准谐振（ QR ）尖峰电流模式的返驰功率因子校正，以及 LED 定电流控制架构为基础。 图2为建议使用的LED驱动器，其返驰功率因子校正控制器的控制架构。 功率因子校正架构的做法是，一达到默认尖峰电流就关闭功率因子校正开关，但当零电流检测电路的初级侧去磁达到第一个谐振波谷，就把开关打开。 先使用来自直流总线电压的高电压起动讯号来启动主要的传感控制器。 在启动期间，控制器会提供必要的闸极驱动力，LED驱动器则提供输出所需要的电压，还有控制器的辅助电源供应。 这时零电流侦测（Zero Current Detection，ZCD）电路开始运转，侦测现用开关的零交叉。 闸极驱动器的设定重设正反器（SR flip-flop）设定讯号，则是来自零电流侦测讯号。 正反器的重设讯号，取决于回馈讯号和电流传感讯号之间电压差的倍数。 为降低总谐波失真，则须将回馈讯号注入线路电压包络。

要达到 LED 驱动器的定电流要求，必须传感 LED 电流，同时利用光隔离器来控制反馈电压的闸极驱动。 图3为定电流控制器的设计图解。 来自LED灯串的LED电流反馈电压会流向电流传感输入。 参考电流是利用电压参考讯号的分位器来设定，还能设定电流参考讯号。 电流参考和电流反馈讯号之间的电压差异相同，则可提升电流调节效率。

IV.        硬件测试结果讨论

建议使用的 LED 驱动器 已利用 LED 负载 97V-112V ，在 0.7A 的电流额定下进行 测试。 功率因子校正和直流对直流转换器则使用HVLED001A商用控制器。 定电流的需求，是利用TSM101A商用模拟控制器来完成的。 表1是我们为建议设计所挑选的主要零组件。 图4则是建议使用LED驱动器的电路板图片。 测试结果显示总谐波失真表现良好 （<10%）、功率因子高、效率高 （ >90% ） ，整个线路和负载状况的 电流调节表现也十分良好 （ <3% ） 。 图5为测试装置的照片，结果显示满载状况下总谐波失真为7%，AC 输入电压为300V。 图6为LED驱动器的功率质量参数及整体系统效能。 图6(a)为总谐波失真和功率因子相对于输入电压的数值。 可以发现总谐波失真和功率因子，对街灯应用的LED驱动器来说都在可接受范围内（<10%）。 图6(b)则为LED驱动器的效率及电流调节数值。 测试结果显示，标称输入电压下整体效率为92%，整个线路周期也最少有90%。 整个输入电压范围内的电流调节均<3%。

表1：选择使用的主要组件

   V.        结论

我们已经设计出具有低总谐波失真特性的 LED 驱动器，也针对街灯照明应用进行验证。 这种LED驱动器的效率极高且电流调节效果良好，适用于大范围的输入电压。 起动、定态和动态效能也都不错，已经过实验认证。 建议使用的这款驱动器适合大范围的街灯照明应用，还有LED街灯照明应用的严格规范。