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高功因單級返馳式LED驅動設計考量

2015年07月04日  | 洪士恆,林錦宏

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節能減碳是近年來全球關注的議題,根據能源署(IEA)資料顯示,照明耗能占全球總能耗之19.5%。LED相較於其他照明燈源更為省電、長壽命且具環保概念,使得LED市場於近年來擴張迅速。LED搭配燈具設計,於居家、展場、工業照明、路燈、螢幕看板等應用場合可取代各式光源,其應用面廣泛與省電之優勢已成為先進國家推廣節能政策之方向。


非隔離架構於中小功率LED方案具有成本優勢,如採用具功因校正之降壓(Buck)、昇降壓(Buck-boost)轉換器。但為避免人員與高電壓電源接觸之安全考量,眾多LED應用要求變壓器等級之絕緣,如可攜式LED驅動電源、路燈等,甚至部份取代白熾燈或螢光燈之應用場合仍求要絕緣。基於空間與成本之考量,返馳式轉換器(Flyback converter)為隔離型中小功率應用下最為理想之架構。雖然,LED負載特性不如一般電子負載複雜而使得設計上有許多發揮空間,但在市場競爭壓力下,針對系統客製化、共用性、強健度等不同應用需求,有不同之驅動器電路之最佳化設計考量。於此,本文主要探討單級返馳式轉換器應用於LED驅動器之設計與除錯經驗。


單級高功因返馳式轉換器之產品設計考量

為提高能源使用效益,全球各地能源部針對照明類有獨立規範,總諧波失真(THD) 較多規範小於20%,部份地區(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)之平均效率與待機功耗做為設計依據。傳統昇壓型功因修正電路搭配返馳式轉換器之雙級架構可輕易符合THD規格需求,但考量中小功率應用之成本與體積,具功因修正之單級返馳式轉換器 (Single stage Flyback Converter with PFC) 不僅整機效率更高,更能貼近電源設計廠之需求。原因在於驅動LED相較於其他型電子負載或充電器可容許較大的輸出漣波電流,且較少考量到保持時間 (Hold-up time),因此大幅降低儲能元件之體積。


單級高功因返馳式轉換器在LED電源廠已被廣泛採用,單級轉換器在控制架構上分為次級調節(Secondary Side Regulation, SSR)與初級調節(Primary Side Regulation, PSR),後者使控制電路設計更加精簡。為節省變壓器體積並提昇效率,中小功率常選擇操作在臨界導通(Critical Conduction Mode, CrM)或不連續導通模式(Discontinue Conduction Mode, DCM)。目前各家半導體廠提出之解決方案皆能達成小範圍之定電流誤差及完善的保護功能,工程師毋須額外費心設計精準的控制電路。然而,電源設計時得全盤考慮所有規格,除錯實務並未全然涵蓋於IC應用手冊,若能第一時間掌握設計概要則可縮短產品開發週期。因此,以下針對轉換器設計部份彙整常見之問題並做進一步的探討與分享:


(a) 定電流精準度問題

初級調節多操作在BCM或DCM模式,藉由已知的繞組圈數,透過精密電阻偵測初級峰值電流與輔助繞組偵測次級洩磁時間以推算輸出電流。然而此模式下有幾項因素影響定電流精準度:1. 導通延遲時間(Propagation delay):來自於IC放大級與功率半導體開關的延遲,高低電壓輸入的影響能量傳遞。此誤差無法藉由人工調節縮小差異,最簡易方式為透過輸入電壓偵測值進行峰值電流補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成,如圖1所示。2. 峰值電流偵測誤差 : 源自於峰值電流偵測電阻與經過低通濾波器後訊號之差異,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於實際電流,此與IC取樣速度相關。由於此型誤差為定向關係,可藉由電阻微調改善。3. 洩磁偵測延遲:IC藉由判斷輔助繞組諧振至低準位作為次級電流截止之依據,但在諧振期間已無存在次級電流,故造成次級洩磁時間之偵測誤差,如圖2所示。此誤差嚴重程度與取決於雜散電容與變壓器激磁電感之諧振週期相關,若減小並聯之雜散效應將加劇電磁干擾之高頻段部份。建議以外部補償方式克服。


圖1. Propagation delay在高低壓輸入產生之誤差
圖1. Propagation delay在高低壓輸入產生之誤差。

圖2. ZCD偵測之時間延遲
圖2. ZCD偵測之時間延遲。

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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