文档介绍：LED 驱动电路设计
功率因数改善探讨以及 NCP1014 解决方案
本参考设计将分析现有照明 LED 驱动电路设计功率因数低的原因,探讨改善功率因数的技术及解决方案,以
NCP1014 为例,介绍相关设计过程、元器件选择依据、测试数据分享,显示这参考设计如何轻松符合“能源之星”固
态照明标准的功率因数要求,非常适合低成本、低功率 LED 照明应用。
无源 PFC 与有源 PFC 方案比较
典型离线反激电源转换器在开关稳压器前面采用全波桥整流器及大电容,选择这种配置的原因是每 2 个线路周
期内线路功率降低,直到零,然后上升至下一个峰值。大电容作为储能元件,填补相应所缺失的功率,为开关稳压
器提供更加恒定的输入,维持电能流向负载。这种配置的功率利用率或输入线路波形的功率因数较低。线路电流在
接近电压波形峰值的大幅度窄脉冲处消耗,引入了干扰性的高频谐波。
业界有关无源(Passive)功率因数校正(PFC)的方案众多,这些方案通常都使用较多的额外元器件,其中的一种方案
就是谷底填充(valley-fill)整流器,其中采用的电解电容和二极管组合增大了线路频率导电角,从而改善功率因数。
实际上,这个过程从高线路电压处以低电流给串联电容充电,然后在较低电压时以较大电流让电容放电给开关稳压
器。典型应用使用 2 个电容和 3 个二极管,而要进一步增强功率因数性能,则使用 3 颗电容和 6 个二极管。

图 1:典型谷底填充电路。
虽然谷底填充整流器提高了线路电流的利用率,但并未给开关稳压器提供恒定的输入。提供给负载的功率拥有
较大纹波,达线路电源频率的 2 倍。需要指出的是,仍然需要 4 个二极管来对线路电源整流,使这种方案所用的二
极管数量达到 7 个或 10 个。这些二极管及多个电解电容增加了方案成本,降低了可靠性,并占用了可观的电路板面
积。
另外一种方案是在反激转换器前采用有源(Active) PFC 段,如 NCP1607B。这种方案提供典型性能高于的
优异功率功数,但增加了元件数量、降低了效率及增加了复杂性,最适用的功率电平远高于本应用的功率电平。
解决方案
高功率因数通常需要正弦线路电流,且要求线路电流及电流之间的相位差极小。修改设计的第一步就是在开关
段前获得极低的电容,从而支持更贴近正弦波形的输入电流。这使整流电压跟随线路电压,产生更合意的正弦输入
电流。这样,反激转换器的输入电压就以线路频率的 2 倍跟随整流正弦电压波形。如果输入电流保持在相同波形,
功率因数就高。提供给负载的能量就是电压与电流的乘积,是正弦平方(sine-squared)波形。由于这种正弦平方波
形的能量传递,负载将遭遇线路频率 2 倍的纹波,本质上类似于谷底填充电路中出现的纹波。
如上所述,输入电流必须保持在几近正弦的波形,从而提供高功率因数。提供高功率因数的关键在于通过将反馈输
入维持在与线路频率相关的恒定电平,不允许控制环路针对输出纹波来校正。一种选择是大幅增加输出电流从而减
小 120 Hz 纹波总量,某些应用可能要求使用这种方案。如果频率高于可见光感知范围,通用照明应用的 LED 更能容
受纹波。更为紧凑及廉价的方案是滤除返回至 PWM 转换器的反馈信号,确立接近恒定的电平