節(jié)能減碳是近年來全球關(guān)注的議題，根據(jù)能源署(IEA)數(shù)據(jù)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(huán)保概念，使得LED市場于近年來擴張迅速。LED搭配燈具設(shè)計，于居家、展會、工業(yè)照明、路燈、屏幕廣告牌等應(yīng)用場合可取代各式光源，其應(yīng)用面廣泛與省電之優(yōu)勢已成為先進國家推廣節(jié)能政策之方向。

非隔離架構(gòu)于中小功率LED方案具有成本優(yōu)勢，如采用具功率因數(shù)校正之降壓(Buck)、升降壓(Buck-boost)轉(zhuǎn)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(yīng)用要求變壓器等級之絕緣，如可攜式LED驅(qū)動電源、路燈等，甚至部份取代白熾燈或熒光燈之應(yīng)用場合仍求要絕緣?；诳臻g與成本之考慮，反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback converter)為隔離型中小功率應(yīng)用下最為理想之架構(gòu)。雖然，LED負載特性不如一般電子負載復(fù)雜而使得設(shè)計上有許多發(fā)揮空間，但在市場競爭壓力下，針對系統(tǒng)客制化、共享性、強健度等不同應(yīng)用需求，有不同之驅(qū)動器電路之優(yōu)化設(shè)計考慮。于此，本文主要探討單級反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于LED驅(qū)動器之設(shè)計與除錯經(jīng)驗。

單級高功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器之產(chǎn)品設(shè)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(guī)范，總諧波失真(THD)較多規(guī)范小于20%，部份地區(qū)(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(shè)計依據(jù)。傳統(tǒng)升壓型功率因數(shù)修正電路搭配反激式轉(zhuǎn)換器之雙級架構(gòu)可輕易符合THD規(guī)格需求，但考慮中小功率應(yīng)用之成本與體積，具功率因數(shù)修正之單級反激式轉(zhuǎn)換器(Single stage Flyback Converter with PFC)不僅整機效率更高，更能貼近電源設(shè)計廠之需求。原因在于驅(qū)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(shù)反激式轉(zhuǎn)換器在LED電源廠已被廣泛采用，單級轉(zhuǎn)換器在控制架構(gòu)上分為次級調(diào)節(jié)(Secondary Side Regulation， SSR)與初級調(diào)節(jié)(Primary Side Regulation， PSR)，后者使控制電路設(shè)計更加精簡。為節(jié)省變壓器體積并提升效率，中小功率常選擇操作在臨界導(dǎo)通(Critical Conduction Mode， CrM)或不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinue Conduction Mode， DCM)。目前各家半導(dǎo)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(shè)計精準的控制電路。然而，電源設(shè)計時得全盤考慮所有規(guī)格，除錯實務(wù)并未全然涵蓋于IC應(yīng)用手冊，若能第一時間掌握設(shè)計概要則可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此，以下針對轉(zhuǎn)換器設(shè)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(diào)節(jié)多操作在BCM或DCM模式，藉由已知的繞組圈數(shù)，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(dǎo)通延遲時間(Propagation delay)：來自于IC放大級與功率半導(dǎo)體開關(guān)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(diào)節(jié)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。

2.峰值電流偵測誤差：源自于峰值電流偵測電阻與經(jīng)過低通濾波器后訊號之差異，控制IC在取樣(Sample)至維持(hold)過程中存有愈長的空白時間將造成偵測之電流低于實際電流，此與IC取樣速度相關(guān)。由于此型誤差為定向關(guān)系，可藉由電阻微調(diào)改善。

3.泄磁偵測延遲：IC藉由判斷輔助繞組諧振至低準位作為次級電流截止之依據(jù)，但在諧振期間已無存在次級電流，故造成次級泄磁時間之偵測誤差，如圖2所示。此誤差嚴重程度與取決于雜散電容與變壓器激磁電感之諧振周期相關(guān)，若減小并聯(lián)之雜散效應(yīng)將加劇電磁干擾之高頻段部份。建議以外部補償方式克服。

圖1. Propagation delay在高低壓輸入產(chǎn)生之誤差

圖2. ZCD偵測之時間延遲

(b) IC輔助電源設(shè)計

LED驅(qū)動器能支持寬廣輸出電壓是一大賣點，可擴大產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。對于定電流電源，變壓器設(shè)計是以最高輸出電壓為考慮，而輔助供電得考慮輕載(最低輸出電壓)時VCC電壓仍能維持在欠電壓鎖定(Under Voltage Lock Out， UVLO)之上，并且遠高于主開關(guān)功率半導(dǎo)體之驅(qū)動電壓上限以減少導(dǎo)通損。若輸出電壓變動有2倍以上，輔助供電若超過VCC耐壓上限時則仰賴雙極性晶體管(Bipolar NPN)組成之線性穩(wěn)壓電路，在高壓輸出時功率損耗多半集中于NPN晶體管。若改采用充電幫浦型式之供電可省去輔助繞組且減少線性穩(wěn)壓供電之損耗，此法將增加一功率晶體開關(guān)于主開關(guān)之源極，然而，此方式若欲實現(xiàn)過壓保護得藉由次級Zener二極管偵測反饋回初級側(cè)達成過壓保護，產(chǎn)品設(shè)計者得恒量額外增加之成本與其帶來之效益。

(c)變壓器圈數(shù)比設(shè)計考慮

變壓器圈數(shù)比設(shè)計是功率因數(shù)反激式轉(zhuǎn)器最為重要之環(huán)節(jié)，其不僅決定初級與次級功率晶體之選用，亦影響總諧波失真。理想上，反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計在定頻且不連續(xù)導(dǎo)通模式情況下能達到接近1的功率因數(shù)值，原因為：開關(guān)導(dǎo)通時變壓器初級電流線性正比于輸入電壓，而在開關(guān)周期結(jié)束前變壓器已完全釋能而不受輸出電壓之影響，使轉(zhuǎn)換器之輸入電流等比于輸入電壓。轉(zhuǎn)換器考慮較低的開關(guān)損耗可工作于臨界導(dǎo)通模式，然而，此模式在高壓輸入占空比(Duty Cycle)伴隨接近AC峰值處遞減，使瞬時平均電流未能隨輸入電壓之比例提升，此情況與與低壓輸入時差異甚大。故高壓輸入時易發(fā)覺輸入電流接近AC波峰處顯得平坦，如圖3所示。[!--empirenews.page--]

圖3.高壓輸入之失真電流示意圖

針對此現(xiàn)象，分析圈數(shù)比之設(shè)計與總諧波失真之關(guān)系，根據(jù)理論近似推導(dǎo)而繪出如圖4，其中Kv為AC峰值電壓與次級電壓透過圈數(shù)比映乘至初級之電壓比例。

圖4. Kv與總諧波失真之對應(yīng)關(guān)系

如上結(jié)果得知，采用大圈數(shù)比之設(shè)計有助于改善失真電流，其原理如同設(shè)想轉(zhuǎn)換器于低電壓輸入時之占空比狀態(tài)，輸入電流在AC峰值處將明顯提升，使之塑型接近于電壓弦波。針對變壓器圈數(shù)比之設(shè)計與組件耐壓關(guān)系，下圖為輸入277Vac初級與次級晶體承受之電壓應(yīng)力，圖中橫軸為Kv值，縱軸為電壓單位：

圖5. Kv值與初次級組件耐壓之關(guān)系

經(jīng)由以上分析，我們得知大圈數(shù)比之設(shè)計有益于提升功率因數(shù)值，且次級可選用低順向?qū)▔航抵捇O管以減少導(dǎo)通損，反之，初級開關(guān)得承受較高的電壓應(yīng)力。由于此架構(gòu)對于突波耐受性(Surge Immunity)多仰賴被動防護方案與組件之強健度，初級組件之耐壓選用與實務(wù)電壓量測結(jié)果較為相關(guān)，多半無法取決于圈數(shù)比設(shè)計。根據(jù)實務(wù)經(jīng)驗，此架構(gòu)要通過2kV之突波干擾測試除了外加突波吸收器(Varistor)之外，初級功率半導(dǎo)體可選用800V之等級以上避免超過額定雪崩能量造成損毀，目前已有半導(dǎo)體商推出導(dǎo)通阻抗與雜散電容不遠于650V等級之900V功率半導(dǎo)體，使效率能維持不變。

(d)輸出短路與開路之設(shè)計考慮

相較于定電壓模式，定電流模式所進行的輸出短路較無危險性，其回授將試圖在輸出0V情況下維持定電流而縮減占空比，使輸入功率降低。而實務(wù)上由于變壓器次級無法在短路情況下釋能，即便控制器有最小開關(guān)導(dǎo)通時間仍會使變壓器儲能持續(xù)迭加，大多設(shè)計仍需仰賴保護極制。設(shè)計PSR之短路保護可透過輔助繞組偵測低電壓準位使控制器停止動作，在瞬時期間則透過初級峰值限流可避免變壓器飽合。

開路保護應(yīng)用于燈具損壞造成高阻抗或輸出空接時之保護，為避免定電流在此情況下過充輸出電容造成零件過壓損毀。若為可攜型外置式驅(qū)動電源因考慮便利性而多半將空載時操作于定電壓模式，如此可使燈具同充電器般進行熱插入。在此模式下將考慮輸出電壓與待機損耗。開路電壓與滿載輸出之電壓差關(guān)系到LED在進行熱插時之涌浪電流(Inrush Current)大小，此決定輸出限流機制之使用，例如：采用被動組件之限流電感與是否置入主動式限流電路，部份設(shè)計為降低涌浪電流而將空載電壓設(shè)計略高于輸出電壓以省去限流電路。為符合未來2016年能源法規(guī)最嚴格之待機損耗低于75mW，LED驅(qū)動器設(shè)計將是新的考驗，以下概略性分析轉(zhuǎn)換器空載各部損耗，以一輸出45W/40Vmax之單級高功率因數(shù)LED驅(qū)動器為例，假設(shè)與待機功耗相關(guān)之重要參數(shù)條件如下：

●輸出假性負載(Dummy load)：200kΩ

●200nF X電容對應(yīng)之安規(guī)放電電阻：4 MΩ

●控制與穩(wěn)壓電路于空載之總損耗：18mW(18V/1mA)

●極輕載(20~30mW)情況下反激式轉(zhuǎn)換器效率：50%

綜合以上參數(shù)計算，待機輸入功率在275Vac輸入條件下約72mW，其中電阻與控制電路所占之固定損耗約46mW，變壓器與功率組件損耗所占之轉(zhuǎn)換損失約為26mW.以上損耗評估未含高壓啟動電路與次級反饋電路，尤其在高壓輸出應(yīng)用情況下次級反饋電路將有不少之靜態(tài)損耗。如此可見，反激式驅(qū)動控制器搭配高壓啟動、X電容放電機制與低靜態(tài)電流功耗將是未來符合節(jié)能法規(guī)之利器。

結(jié)論

單級功率因數(shù)反激轉(zhuǎn)換器于中小功率之LED應(yīng)用具有效率與成本的優(yōu)勢，因此，本文探討此轉(zhuǎn)換器在設(shè)計過程常遭遇到之問題，并分享現(xiàn)行可提升效能的設(shè)計方式，其涵蓋到不同之設(shè)計考慮諸如控制器之供電、輸出精準度、變壓器圈數(shù)比選定、總諧波失真等因素，以供設(shè)計研發(fā)者于開發(fā)過程時參考。