將LED總諧波失真降至10%以下的方法

如何將總諧波畸變（THD）控制在10%以下，一直是LED照明領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題。功率不僅可以作為非線性負(fù)載，還可以產(chǎn)生含有諧波的失真波形。這種諧波可能會影響其他電子系統(tǒng)的正常工作。所以測量這些諧波的整體效應(yīng)很重要。總諧波失真可以為我們提供信號w.r.t.基波分量中諧波成分的相關(guān)信息。更高的THD意味著較大的失真或者輸入電源端的失真越大或電源質(zhì)量越低。

因此，我不得不使用15W射燈（絕緣）設(shè)計來測試一個設(shè)計方法，該設(shè)計方案采用針對7個串聯(lián)LED配置的TPS92314器件，可通過150~265VAC輸入提供3.1V正向電壓和0.7A額定電流。按照下列指示，我在240V的AC輸入電壓下實(shí)現(xiàn)了8.7%的THD在進(jìn)行實(shí)際實(shí)施之前，請查閱應(yīng)用手冊，了解完成該測試所需的兩個重要方程式。

在本例中，k等于1.68，我們可通過上述方程繪制出當(dāng)k=1.68時THD與“m”的關(guān)系曲線圖。

從下圖中我們可以看到，當(dāng)k增大時（在m《k的一個具體“m”值下），THD也會增大。

因此，重新看一下“m”和“k”的定義，我們就會發(fā)現(xiàn)，增大匝數(shù)比（n=Np/Ns）及轉(zhuǎn)換器延遲時間，可降低THD。除這兩個參數(shù)外，EMI濾波器設(shè)計也可對THD的改善起到非常重要的作用。用來降低總諧波失真的三個設(shè)計注意事項(xiàng)包括：

1.增加變壓器匝數(shù)比（n=Np/Ns）可增大反射電壓。這會提高成本和開關(guān)FET的電壓應(yīng)力。在本特例中，我們將匝數(shù)比調(diào)成近似于10，以保持反射電壓約為174V。FET額定值必須高于過沖電壓、（LED最大電壓+輸出二極管壓降）×匝數(shù)比加上峰值A(chǔ)C輸入電壓的總和。計算結(jié)果將近640V［=50V+（20+0.5）*10+1.414*265］。我使用的是700V額定FET以及約為16pF的低漏源極電容。

2.增加轉(zhuǎn)換器延遲時間可降低THD。我將電阻器從計算的5.6k變?yōu)?.2k。延遲時間取決于變壓器的初級線圈電感以及FET的漏源極電容。所得延遲時間約為280ns。

3.在輸入端添加EMI濾波器。在本例中，將帶有275VAC、68nF電容器的80mH共模線圈添加至輸入端，并在該橋接之后添加一個包含1mH鼓電感器和兩個400V、33nF電容器的π濾波器。這可幫助我們實(shí)現(xiàn)2.15kHz的差分濾波器轉(zhuǎn)角頻率。在線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)和頻譜分析儀的幫助下，我在查看傳導(dǎo)EMI曲線后，在多次迭代中計算這些值。在最初沒有任何線路濾波器的情況下，峰值在100kHz（轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率）下約為85dBuV。該頻譜已經(jīng)超出了CISPR15B類標(biāo)準(zhǔn)的限值，直到頻率為1MHz時才降至限值以內(nèi)。因此不得不采用EMI濾波器。我逐步增加共模線圈值，并觀察其對THD性能的影響（將電容器增大到一定程度后會降低PF性能）。最后，該值達(dá)到了80mH和68nF左右，而截止頻率則為2.15kHz，衰減超過30dB，使100kHz下的峰值降至55.78dBuV。這樣，頻譜不僅下降了，而且它還使燈光達(dá)到了CISPR15標(biāo)準(zhǔn)（符合準(zhǔn)峰值和平均限值兩種要求）。進(jìn)行這一改變后，THD改善至大約9~10%。與共模線圈相關(guān)的漏電感幫我實(shí)現(xiàn)了差分濾波器。

通過進(jìn)行上述改變，我才得以在240V的輸入電壓下實(shí)現(xiàn)8.5%的THD以及0.98的PF，輸出電壓為21.8V。在相同設(shè)計中的輸出端（18.8V輸出）使用六個LED，我們在240V電壓下實(shí)現(xiàn)了9%的THD。通過EE1685磁芯（匝數(shù)180）實(shí)現(xiàn)了80mH的EMI濾波器。主變壓器的初級電感為2mH，峰值主電流約為0.5A。

本試驗(yàn)所用LED驅(qū)動裝置為TPS92314，此一次側(cè)控制離線LED驅(qū)動裝置主要用于低成本照明應(yīng)用（少量的外部元件）。該系統(tǒng)采用固定導(dǎo)通時間結(jié)構(gòu)，無需復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)自然功率因數(shù)校正。另外，諧振谷值開關(guān)還能降低電磁干擾，提高系統(tǒng)效率。其他優(yōu)良的特性還包括一次側(cè)電流限制，VCC過壓保護(hù)和欠壓鎖定，輸出LED過壓保護(hù)，控制器關(guān)閉等。