高功率因數(shù)單級反激式LED驅(qū)動器設(shè)計分析

節(jié)能減碳是近年來全球關(guān)注的議題，根據(jù)能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，照明耗能占全球總能耗之19.5%.LED相較于其他照明燈源更為省電、長壽命且具環(huán)保概念，使得LED市場于近年來擴(kuò)張迅速。LED搭配燈具設(shè)計，于居家、展會、工業(yè)照明、路燈、屏幕廣告牌等應(yīng)用場合可取代各式光源，其應(yīng)用面廣泛與省電之優(yōu)勢已成為先進(jìn)國家推廣節(jié)能政策之方向。
　　非隔離架構(gòu)于中小功率LED方案具有成本優(yōu)勢，如采用具功率因數(shù)校正之降壓（Buck）、升降壓（Buck-boost）轉(zhuǎn)換器。但為避免人員與高電壓電源接觸之安全考慮，眾多LED應(yīng)用要求變壓器等級之絕緣，如可攜式LED驅(qū)動電源、路燈等，甚至部份取代白熾燈或熒光燈之應(yīng)用場合仍求要絕緣?；诳臻g與成本之考慮，反激式轉(zhuǎn)換器（Flyback converter）為隔離型中小功率應(yīng)用下最為理想之架構(gòu)。雖然，LED負(fù)載特性不如一般電子負(fù)載復(fù)雜而使得設(shè)計上有許多發(fā)揮空間，但在市場競爭壓力下，針對系統(tǒng)客制化、共享性、強(qiáng)健度等不同應(yīng)用需求，有不同之驅(qū)動器電路之優(yōu)化設(shè)計考慮。于此，本文主要探討單級反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于LED驅(qū)動器之設(shè)計與除錯經(jīng)驗(yàn)。
　　單級高功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器之產(chǎn)品設(shè)計考慮
　　為提高能源使用效益，全球各地能源部針對照明類有獨(dú)立規(guī)范，總諧波失真（THD）較多規(guī)范小于20%，部份地區(qū)（如俄羅斯）則更須符合10%，各次諧波失真則參照EN61000-3-2之Harmonic Class C單元。若為外置式電源，廠商須參照加州能源法（CEC）與歐盟指令（EuP）之平均效率與待機(jī)功耗做為設(shè)計依據(jù)。傳統(tǒng)升壓型功率因數(shù)修正電路搭配反激式轉(zhuǎn)換器之雙級架構(gòu)可輕易符合THD規(guī)格需求，但考慮中小功率應(yīng)用之成本與體積，具功率因數(shù)修正之單級反激式轉(zhuǎn)換器（Single stage Flyback Converter with PFC）不僅整機(jī)效率更高，更能貼近電源設(shè)計廠之需求。原因在于驅(qū)動LED相較于其他型電子負(fù)載或充電器可容許較大的輸出漣波電流，且較少考慮到保持時間（Hold-up time），因此大幅降低儲能組件之體積。
　　單級高功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器在LED電源廠已被廣泛采用，單級轉(zhuǎn)換器在控制架構(gòu)上分為次級調(diào)節(jié)（Secondary Side Regulation， SSR）與初級調(diào)節(jié)（Primary Side Regulation， PSR），后者使控制電路設(shè)計更加精簡。為節(jié)省變壓器體積并提升效率，中小功率常選擇操作在臨界導(dǎo)通（Critical Conduction Mode， CrM）或不連續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinue Conduction Mode， DCM）。目前各家半導(dǎo)體廠提出之解決方案皆能達(dá)成小范圍之定電流誤差及完善的保護(hù)功能，工程師毋須額外費(fèi)心設(shè)計精準(zhǔn)的控制電路。然而，電源設(shè)計時得全盤考慮所有規(guī)格，除錯實(shí)務(wù)并未全然涵蓋于IC應(yīng)用手冊，若能第一時間掌握設(shè)計概要則可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此，以下針對轉(zhuǎn)換器設(shè)計部份匯整常見之問題并做進(jìn)一步的探討與分享：
　?。╝）定電流精準(zhǔn)度問題
　　初級調(diào)節(jié)多操作在BCM或DCM模式，藉由已知的繞組圈數(shù)，透過精密電阻偵測初級峰值電流與輔助繞組偵測次級泄磁時間以推算輸出電流。然而此模式下有幾項(xiàng)因素影響定電流精準(zhǔn)度：
　　1.導(dǎo)通延遲時間（Propagation delay）：來自于IC放大級與功率半導(dǎo)體開關(guān)的延遲，高低電壓輸入的影響能量傳遞。此誤差無法藉由人工調(diào)節(jié)縮小差異，最簡易方式為透過輸入電壓偵測值進(jìn)行峰值電流補(bǔ)償以縮小高低壓輸入之差異，可透過繞組或高壓線性方式來達(dá)成，如圖1所示。
　　2.峰值電流偵測誤差：源自于峰值電流偵測電阻與經(jīng)過低通濾波器后訊號之差異，控制IC在取樣（Sample）至維持（hold）過程中存有愈長的空白時間將造成偵測之電流低于實(shí)際電流，此與IC取樣速度相關(guān)。由于此型誤差為定向關(guān)系，可藉由電阻微調(diào)改善。
　　3.泄磁偵測延遲：IC藉由判斷輔助繞組諧振至低準(zhǔn)位作為次級電流截止之依據(jù)，但在諧振期間已無存在次級電流，故造成次級泄磁時間之偵測誤差，如圖2所示。此誤差嚴(yán)重程度與取決于雜散電容與變壓器激磁電感之諧振周期相關(guān)，若減小并聯(lián)之雜散效應(yīng)將加劇電磁干擾之高頻段部份。建議以外部補(bǔ)償方式克服。