調光型LED驅動電源Harmonic Current設計

2019-06-14

前言
由於LED驅動電源常用交換式開關技術，此類產品對電力會有污染，造成電力線的利用率大幅降低，故IEC-61000-3-2: 2014要求25瓦以上的LED 燈具需要滿足諧波電流(Harmonic current )的標準。在滿載或是高負載情況下，LED 驅動電源本身就必須具備可以控制諧波電流(Harmonic current)的電路以符合標準。

依照EN 61000‒3‒2:2014國際標準對設備的分類：

A類

● 平衡的三相設備
● 家用電器，不包括列入D類的設備
● 工具，不包括可擕式工具；
● 白熾燈調光器；
● 音訊設備

未規定為B、C、D類的設備均視為A類設備。例如: 頻率轉換器，灶具，固定的木工設備，照明調光器，音響功放，低音炮，暖風與調節。

B類

● 可擕式工具；
● 不屬於專用設備的電弧焊設備。
例如:鑽孔機，電動錘，可擕式礦用設備，非專業電弧焊接設備。

C類

● 照明設備. 例如: LED照明，LED路燈等照明設備。

D類

● 功率不大於600W的下列設備；
● 個人電腦和個人電腦顯示器；
● 電視接收機。
例如: 個人電腦，平板電腦，筆記本電腦，電視。
本標準範圍內的傳導發射的要求是高達40次諧波。

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

近年來對於智慧燈具之發展，調光型電源將是未來的運用技術趨勢，其調光基本方式如下:

Table 2. 調光系統之概念比較

LED 驅動電源處於調光狀態時，是否還需滿足IEC-61000-3-2（2014）Table2的要求? 結論: 不是必需。原因1）. 現今標準規範並沒有針對LED燈具於調光下的諧波電流條件限制，2）. 依市場智慧產品分析比較LED 驅動於滿載和輕載（調光）下因諧波產生的電力系統損失來計算，發現調光下的電力損失還是會低於規範中滿載的電力損失，依據滿載條件下各諧波電流峰值的上限值做判斷基礎都可符合，故分析LED 驅動於輕載條件下並不一定要符合Harmonic current 諧波電流Table 2要求。但未來智慧照明時代的技術發展持續為主要課題之一。

積極推動高能效創新的通嘉科技，在智慧調光運用之電源設計需求上可提供一個高功率因數, 高效率, 低諧波, 無頻閃，次級回饋的設計方案 -- LD7792S/N/O 系列產品。基礎結構如下:

功率因數校正(PFC)之升壓轉換單元
目前世界主要國家和機構都對LED驅動器在功率因數或總諧波失真上提出了相應的規範，比如國際電子電機委員會提出的IEC 61000-3-2、歐盟的EN61000-3-2、日本的JIC-C-61000-3-2、中國的GB 17625.1等標準。美國“能源之星”對功率大於5 W等級的固態照明燈具都有功率因數的要求，家用驅動器功率因數需大於0.7，商用驅動器功率因數需大於0.9，而在路燈的應用中，對功率因數的要求通常會大於0.95。
為了滿足高功率(60~150W) LED電源設計在功率因數以及諧波含量限制方面的要求，選用高效率之臨界導通模式(CRM)且採用導通時間補償技術來滿足諧波限制要求。其主功率單元具備精確的過流、過功率限制功能，為電路提供強固的保護功能。

主功率單元：准諧振反激式提供高性價比、高能效及易處理EMI的選擇
主功率電源設計採用准諧振反激式變換器(Flyback Converter)，由於能夠實現零電壓開通，減少了開關損耗，降低了EMI 雜訊。
通嘉科技產品LD7792S/N/O採用准諧振反激式拓撲結構為主電源功率段提供了高性價比及可靠方案，為客戶在尺寸限制、待機要求及成本等設計考慮上提供了理想選擇，主要特性包括85kHz至120kHz的最高頻率工作限制；外部可調軟啟動時間及保護時間；~150 uA低待機電流；可選導通/關閉PFC控制單元來減少待機損耗。

待機電路
為了有效提高電源效率且不增加空間或成本下之降低產品待機功耗。LD7792S/N/O 提供低損耗的啟動序列，使週邊線路簡單且有成本優勢。

恒壓恒流控制方案
精准的恒壓恒流控制能夠保證LED顆粒之間發光均勻，從而更好地保證LED路燈壽命。通嘉科技也提供LD8105/LD8106/LD8115/LD8115A以實現二次側精准的恒壓恒流控制。

通嘉科技典型150 W高能效、模擬調光、無頻閃 LED驅動電源配置參考設計
通嘉提供150 W功率的LED驅動電源(VLED=90V, ILED=1.44A) 配置參考設計。設計選用LD7792S/N/O (PFC+PWM) + LD8115/A(固定恒壓及可調整恒流之控制) + LD8116A/B/C/D (三合一調光器訊號處理器)方案，可滿足以下特性：

● AC 寬電壓輸入90至277 VAC或170至255VDC應急電源直流輸入；
● 功率因數滿足大於0.92；
● 總諧波含量小於10%的要求；
● 滿載平均效率大於89%；
● 典型電流精度可達+/-3%。

除此之外，這參考設計還支援快速啟動，典型啟動時間小於500 ms，還提供可調整輸出電流且低電流紋波(無頻閃)之特點。

Chart 1. 總電流諧波失真( Total Harmonic Distortion)量測( VLED=90V, ILED=1.44A )

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

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