高功率因數單級反激式LED驅動器設計注意事項

　　節能減碳是近年來全球關注的議題，根據能源署(IEA)數據顯示，照明耗能占全球總能耗之19.5%.LED相較于其他照明燈源更為省電、長壽命且具環保概念，使得LED市場于近年來擴張迅速。LED搭配燈具設計，于居家、展會、工業照明、路燈、屏幕廣告牌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。

　　非隔離架構于中小功率LED方案具有成本優勢，如采用具功率因數校正之降壓(Buck)、升降壓(Buck-boost)轉換器。但為避免人員與高電壓電源接觸之安全考慮，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熒光燈之應用場合仍求要絕緣。基于空間與成本之考慮，反激式轉換器(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復雜而使得設計上有許多發揮空間，但在市場競爭壓力下，針對系統客制化、共享性、強健度等不同應用需求，有不同之驅動器電路之優化設計考慮。于此，本文主要探討單級反激式轉換器應用于LED驅動器之設計與除錯經驗。

　　單級高功率因數反激式轉換器之產品設計考慮

　　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范，總諧波失真(THD)較多規范小于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。傳統升壓型功率因數修正電路搭配反激式轉換器之雙級架構可輕易符合THD規格需求，但考慮中小功率應用之成本與體積，具功率因數修正之單級反激式轉換器(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。原因在于驅動LED相較于其他型電子負載或充電器可容許較大的輸出漣波電流，且較少考慮到保持時間(Hold-up time)，因此大幅降低儲能組件之體積。

　　單級高功率因數反激式轉換器在LED電源廠已被廣泛采用，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)，后者使控制電路設計更加精簡。為節省變壓器體積并提升效率，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范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，除錯實務并未全然涵蓋于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周期。因此，以下針對轉換器設計部份匯整常見之問題并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泄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)：來自于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。