调光型LED驱动电源谐波电流设计

2019-06-14

前言
由于LED驱动电源常用交换式开关技术，此类产品对电力会有污染，造成电力线的利用率大幅降低，故IEC-61000-3-2: 2014要求25瓦以上的LED 灯具需要满足谐波电流(Harmonic current )的标准。在满载或是高负载情况下，LED 驱动电源本身就必须具备可以控制谐波电流(Harmonic current)的电路以符合标准。

依照EN 61000‒3‒2:2014国际标准对设备的分类：

A类

● 平衡的三相设备
● 家用电器，不包括列入D类的设备
● 工具，不包括便携式工具；
● 白炽灯调光器；
● 音讯设备

未规定为B、C、D类的设备均视为A类设备。例如: 频率转换器，灶具，固定的木工设备，照明调光器，音响功放，低音炮，暖风与调节。

B类

● 便携式工具；
● 不属于专用设备的电弧焊设备。
例如:钻孔机，电动锤，便携式矿用设备，非专业电弧焊接设备。

C类

● 照明设备. 例如: LED照明，LED路灯等照明设备。

D类

● 功率不大于600W的下列设备；
● 个人计算机和个人计算机显示器；
● 电视接收机。
例如: 个人计算机，平板计算机，笔记本计算机，电视。
本标准范围内的传导发射的要求是高达40次谐波。

Table 1. IEC-61000-3-2(2014) Table 2-Limits for Class C equipment

近年来对于智慧灯具之发展，调光型电源将是未来的运用技术趋势，其调光基本方式如下:

Table 2. 调光系统之概念比较

LED 驱动电源处于调光状态时，是否还需满足IEC-61000-3-2（2014）Table2的要求? 结论: 不是必需。原因1）. 现今标准规范并没有针对LED灯具于调光下的谐波电流条件限制，2）. 依市场智能产品分析比较LED 驱动于满载和轻载（调光）下因谐波产生的电力系统损失来计算，发现调光下的电力损失还是会低于规范中满载的电力损失，依据满载条件下各谐波电流峰值的上限值做判断基础都可符合，故分析LED 驱动于轻载条件下并不一定要符合Harmonic current 谐波电流Table 2要求。但未来智慧照明时代的技术发展持续为主要课题之一。

积极推动高能效创新的通嘉科技，在智慧调光运用之电源设计需求上可提供一个高功率因子, 高效率, 低谐波, 无频闪，次级回馈的设计方案 -- LD7792S/N/O 系列产品。基础结构如下:

功率因子校正(PFC)之升压转换单元
目前世界主要国家和机构都对LED驱动器在功率因子或总谐波失真上提出了相应的规范，比如国际电工委员会提出的IEC 61000-3-2、欧盟的EN61000-3-2、日本的JIC-C-61000-3-2、中国的GB 17625.1等标准。美国“能源之星”对功率大于5 W等级的固态照明灯具都有功率因子的要求，家用驱动器功率因子需大于0.7，商用驱动器功率因子需大于0.9，而在路灯的应用中，对功率因子的要求通常会大于0.95。
为了满足高功率(60~150W) LED电源设计在功率因子以及谐波含量限制方面的要求，选用高效率之临界导通模式(CRM)且采用导通时间补偿技术来满足谐波限制要求。其主功率单元具备精确的过流、过功率限制功能，为电路提供强固的保护功能。

主功率单元：准谐振反激式提供高性价比、高能效及易处理EMI的选择
主功率电源设计采用准谐振反激式变换器(Flyback Converter)，由于能够实现零电压开通，减少了开关损耗，降低了EMI 噪声。
通嘉科技产品LD7792S/N/O采用准谐振反激式拓扑结构为主电源功率段提供了高性价比及可靠方案，为客户在尺寸限制、待机要求及成本等设计考虑上提供了理想选择，主要特性包括85kHz至120kHz的最高频率工作限制；外部可调软启动时间及保护时间；~150 uA低待机电流；可选导通/关闭PFC控制单元来减少待机损耗。

待机电路
为了有效提高电源效率且不增加空间或成本下之降低产品待机功耗。LD7792S/N/O 提供低损耗的启动序列，使外围线路简单且有成本优势。

恒压恒流控制方案
精准的恒压恒流控制能够保证LED颗粒之间发光均匀，从而更好地保证LED路灯寿命。通嘉科技也提供LD8105/LD8106/LD8115/LD8115A以实现二次侧精准的恒压恒流控制。

通嘉科技典型150 W高能效、模拟调光、无频闪 LED驱动电源方案参考设计
通嘉提供150 W功率的LED驱动电源(VLED=90V, ILED=1.44A) 配置参考设计。设计选用LD7792S/N/O (PFC+PWM) + LD8115/A(固定恒压及可调整恒流之控制) + LD8116A/B/C/D (三合一调光器讯号处理器)方案，可满足以下特性：

● AC 宽电压输入90至277 VAC或170至255VDC应急电源直流输入；
● 功率因子满足大于0.92；
● 总谐波含量小于10%的要求；
● 满载平均效率大于89%；
● 典型电流精度可达+/-3%。

除此之外，这参考设计还支持快速启动，典型启动时间小于500 ms，还提供可调整输出电流且低电流纹波(无频闪)之特点。

Chart 1. 总电流谐波失真( Total Harmonic Distortion)量测( VLED=90V, ILED=1.44A )

Chart 2. 功率因子(Power Factor)量测( VLED=90V, ILED=1.44A )

Chart 3. 效率(Efficiency)量测( VLED=90V, ILED=1.44A )