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產業動態 符合能源之星固態照明標準的離線型LED驅動器
采杰公關顧問有限公司 本新聞稿發佈於2009/12/28,由發布之企業承擔內容之立場與責任,與本站無關

這篇文章介紹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。

 
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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。

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。

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。

- 新聞稿有效日期,至2010/01/28為止


聯絡人 :Eric Tsai
聯絡電話:886-2-8773-4277
電子郵件:eric_tsai@accesspr.com.tw

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