应用于LED照明之单级高功因反激式转换器.PDFVIP

Application Note 吳昌谕 AN012 – May 2014 应用于 LED 照明之单级高功因反激式转换器 Single-Stage High Power Factor Flyback for LED Lighting 摘要 本文说明单级高功因反激式转换器 (Flyback converter) 如何以少量的组件与简单的控制方式提高输入功率因数 (Power Factor, PF)，降低输入电流谐波。内容包括功率因数的定义、高功因反激式转换器动作原理、峰值电流控制 (Peak-current mode control) 与固定导通时间控制 (Constant on-time control)、输入电压前馈补偿 (Feed-forward compensation)、以及总谐波失真 (Total Harmonic Distortion, THD)优化。 目录 一、前言 2 二、功率因数 2 三、高功因反激式转换器动作原理 3 四、峰值电流控制与固定导通时间控制 6 五、输入电压前馈补偿 8 六、总谐波失真优化 9 七、总结 10 AN012 © 2014 Richtek Technology Corporation 1 应用于LED 照明之单级高功因反激式转换器 一、前言 近年来，发光二极管 (Light-Emitting Diode, LED) 技术发展迅速，由于其具有发光效率高、长寿命与不含汞等优势，已经被视 为下一代主要照明源。随着环保意识抬头，大家对于 LED 驱动器的要求不再只是点亮，对于节能的要求也愈来愈严格。美国能源之 星 (Energy Star) 规定功率高于 5W 的住宅照明驱动器之功率因数必须大于 0.7，商业照明大于 0.9。本文将探讨照明用 LED 驱 动器如何以少量的组件与简单的控制方式提高输入功率因数，降低输入电流谐波，以达到规范要求，并且实现节能的目的。 二、功率因数 由于能源日益短缺，促使人们越來越重视电子装置的用电效率。传统的电源转换器大多使用二极管整流器与电解电容对输入电源进 行整流，此种架构虽然简单，但由于输入电流严重非线性失真，造成低频谐波大量增加，导致功率因數低落。功率因数指实功率 (Real power) 与视在功率 (Apparent power) 间的比值，是衡量电力利用效率高低的指标。若功率因數低落，要产生相同功率输 出时所需要的电流就会提高。当电流提高时，电路系统的能量损失就会增加，造成相关电力设备的容量也随之增加。电力公司为了 反应较大容量设备及浪费能量的成本，一般会对功率因数较低的工商业用户以较高的电费费率来计算电费。 功率因数定义如下： Power factor = P (1) S 其中 P 代表实功率；S 代表视在功率，是电压和电流均方根值 (RMS) 的乘积。纯电阻负载的视在功率等于实功率，其功率因数为 1。 若负载是由电感、电容及电阻组成的线性负载，能量可能会在负载端及电源端往复流动，造成实功率下降。线性组件组成的电路， 若电压是正弦波，其电流会是相同频率的弦波，而其视在功率与实功率的关系为 P = S  cosθ (2) 其中， θ 是电流和电压之间的相位角，功率因数等于此角的余弦 cosθ，也可以称为位移功率因数 (Displacement Power Factor, DPF)。 若负载中有电感、电容及电阻以外的组件 (非线性负载)，会造成输入电流的波形扭曲。视在功率包括所有谐波成份，此时功率因数 中不但有电压和电流之间的相位差导致的位移功率因数，也会有对应谐波成份的