将LED总谐波失真降至10%以下的方法

如何将总谐波畸变（THD）控制在10%以下，一直是LED照明领域普遍关心的问题。功率不仅可以作为非线性负载，还可以产生含有谐波的失真波形。这种谐波可能会影响其他电子系统的正常工作。所以测量这些谐波的整体效应很重要。总谐波失真可以为我们提供信号w.r.t.基波分量中谐波成分的相关信息。更高的THD意味着较大的失真或者输入电源端的失真越大或电源质量越低。

因此，我不得不使用15W射灯（绝缘）设计来测试一个设计方法，该设计方案采用针对7个串联LED配置的TPS92314器件，可通过150~265VAC输入提供3.1V正向电压和0.7A额定电流。按照下列指示，我在240V的AC输入电压下实现了8.7%的THD在进行实际实施之前，请查阅应用手册，了解完成该测试所需的两个重要方程式。

在本例中，k等于1.68，我们可通过上述方程绘制出当k=1.68时THD与“m”的关系曲线图。

从下图中我们可以看到，当k增大时（在m《k的一个具体“m”值下），THD也会增大。

因此，重新看一下“m”和“k”的定义，我们就会发现，增大匝数比（n=Np/Ns）及转换器延迟时间，可降低THD。除这两个参数外，EMI滤波器设计也可对THD的改善起到非常重要的作用。用来降低总谐波失真的三个设计注意事项包括：

1.增加变压器匝数比（n=Np/Ns）可增大反射电压。这会提高成本和开关FET的电压应力。在本特例中，我们将匝数比调成近似于10，以保持反射电压约为174V。FET额定值必须高于过冲电压、（LED最大电压+输出二极管压降）×匝数比加上峰值AC输入电压的总和。计算结果将近640V［=50V+（20+0.5）*10+1.414*265］。我使用的是700V额定FET以及约为16pF的低漏源极电容。

2.增加转换器延迟时间可降低THD。我将电阻器从计算的5.6k变为6.2k。延迟时间取决于变压器的初级线圈电感以及FET的漏源极电容。所得延迟时间约为280ns。

3.在输入端添加EMI滤波器。在本例中，将带有275VAC、68nF电容器的80mH共模线圈添加至输入端，并在该桥接之后添加一个包含1mH鼓电感器和两个400V、33nF电容器的π滤波器。这可帮助我们实现2.15kHz的差分滤波器转角频率。在线路阻抗稳定网络和频谱分析仪的帮助下，我在查看传导EMI曲线后，在多次迭代中计算这些值。在最初没有任何线路滤波器的情况下，峰值在100kHz（转换器开关频率）下约为85dBuV。该频谱已经超出了CISPR15B类标准的限值，直到频率为1MHz时才降至限值以内。因此不得不采用EMI滤波器。我逐步增加共模线圈值，并观察其对THD性能的影响（将电容器增大到一定程度后会降低PF性能）。最后，该值达到了80mH和68nF左右，而截止频率则为2.15kHz，衰减超过30dB，使100kHz下的峰值降至55.78dBuV。这样，频谱不仅下降了，而且它还使灯光达到了CISPR15标准（符合准峰值和平均限值两种要求）。进行这一改变后，THD改善至大约9~10%。与共模线圈相关的漏电感帮我实现了差分滤波器。

通过进行上述改变，我才得以在240V的输入电压下实现8.5%的THD以及0.98的PF，输出电压为21.8V。在相同设计中的输出端（18.8V输出）使用六个LED，我们在240V电压下实现了9%的THD。通过EE1685磁芯（匝数180）实现了80mH的EMI滤波器。主变压器的初级电感为2mH，峰值主电流约为0.5A。

本试验所用LED驱动装置为TPS92314，此一次侧控制离线LED驱动装置主要用于低成本照明应用（少量的外部元件）。该系统采用固定导通时间结构，无需复杂的补偿技术，即可实现自然功率因数校正。另外，谐振谷值开关还能降低电磁干扰，提高系统效率。其他优良的特性还包括一次侧电流限制，VCC过压保护和欠压锁定，输出LED过压保护，控制器关闭等。