如何將總諧波失真降至 10% 以下

LED 照明領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題一直是如何將總諧波失真 (THD) 保持在 10% 以下。電源不但可作為非線性負(fù)載，而且還可引出一條包含諧波的失真波形。這些諧波可能會(huì)對(duì)其它電子系統(tǒng)的工作造成干擾。因此，測(cè)量這些諧波的總體影響非常重要?？傊C波失真可為我們提供信號(hào) w.r.t. 基波分量中諧波含量的相關(guān)信息。更高的 THD 就意味著出現(xiàn)在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 15 W 射燈（絕緣）設(shè)計(jì)來(lái)測(cè)試一個(gè)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方案采用針對(duì) 7 個(gè)串聯(lián) LED 配置的TPS92314器件，可通過(guò) 150 ~ 265V AC 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(qǐng)查閱本應(yīng)用手冊(cè)，了解完成該測(cè)試所需的兩個(gè)重要方程式。

在本例中，k 等于 1.68，我們可通過(guò)上述方程繪制出當(dāng) k = 1.68 時(shí) 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(shí)（在 m

因此，重新看一下“m”和“k”的定義，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，增大匝數(shù)比（n = Np/Ns）及轉(zhuǎn)換器延遲時(shí)間，可降低 THD。除這兩個(gè)參數(shù)外，EMI 濾波器設(shè)計(jì)也可對(duì) THD 的改善起到非常重要的作用。用來(lái)降低總諧波失真的三個(gè)設(shè)計(jì)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(huì)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(guò)沖電壓、（LED 最大電壓+ 輸出二極管壓降）× 匝數(shù)比加上峰值 AC 輸入電壓的總和。計(jì)算結(jié)果將近 640V [= 50 V + (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(shí)間可降低THD。我將電阻器從計(jì)算的 5.6k 變?yōu)?6.2k。延遲時(shí)間取決于變壓器的初級(jí)線圈電感以及 FET 的漏源極電容。所得延遲時(shí)間約為 280ns。
3. 在輸入端添加EMI濾波器。在本例中，將帶有 275V AC、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(gè)包含 1mH 鼓電感器和兩個(gè) 400V、33nF 電容器的 π 濾波器。這可幫助我們實(shí)現(xiàn) 2.15 kHz 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(jì)算這些值。在最初沒(méi)有任何線路濾波器的情況下，峰值在 100 kHz（轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率）下約為 85dBuV。該頻譜已經(jīng)超出了 CISPR 15 B 類標(biāo)準(zhǔn)的限值，直到頻率為 1MHz 時(shí)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(duì) THD 性能的影響（將電容器增大到一定程度后會(huì)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 2.15 kHz，衰減超過(guò) 30dB，使 100 kHz 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 CISPR 15 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(guò)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(jì)中的輸出端（18.8V 輸出）使用六個(gè) LED，我們?cè)?240V 電壓下實(shí)現(xiàn)了 9% 的 THD。通過(guò) 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(jí)電感為 2mH，峰值主電流約為 0.5A。

本次測(cè)試使用的 LED 驅(qū)動(dòng)器是TPS92314，這款一次側(cè)控制離線 LED 驅(qū)動(dòng)器主要用于低成本照明應(yīng)用（少量外部元件）。它具有恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)，無(wú)需復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)自然功率因數(shù)校正。此外，諧振谷值開關(guān)也可減少 EMI，提高系統(tǒng)效率。其它優(yōu)異的特性還包括逐周期一次側(cè)電流限制、VCC 過(guò)壓保護(hù)及欠壓鎖定、輸出 LED 過(guò)壓保護(hù)以及控制器關(guān)閉等。

基于TITPS92314的完整原理圖如下。

參考資料：

1. TPS92314 THD 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（SNVA685、PDF、293 KB）
2. TPS92314 產(chǎn)品說(shuō)明書