動(dòng)PFC設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：方案選型、參數(shù)計(jì)算與調(diào)試要點(diǎn))
上周我?guī)鸵晃蛔雒姘鍩舻呐笥丫燃彼幸慌?0W驅(qū)動(dòng)電源在第三方實(shí)驗(yàn)室卡在諧波測(cè)試上PF值只有0.87輸出端還帶著明顯的電流紋波肉眼都能看到燈珠亮度在抖。拆開板子一看典型的低壓無源PFC方案前端就是一個(gè)填谷電路輸出濾波電容也摳得特別狠。這年頭做LED照明還想靠低成本糊弄過功率因數(shù)校正這一關(guān)已經(jīng)越來越不現(xiàn)實(shí)了。我這次想把Power Factor-Corrected AC-DC驅(qū)動(dòng)器這個(gè)話題系統(tǒng)地捋一遍重點(diǎn)聊聊LED照明應(yīng)用下的PFC設(shè)計(jì)思路、方案選型、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算和調(diào)試中真正會(huì)踩到的坑。文章適合剛要入行做LED驅(qū)動(dòng)電源的工程師、正在量化降本的燈具廠硬件負(fù)責(zé)人以及想搞懂為什么LED驅(qū)動(dòng)一定要帶PFC的產(chǎn)品經(jīng)理。內(nèi)容不繞彎子直接按照我實(shí)際做過、測(cè)過的方案來講。1. LED照明驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)不是營(yíng)銷概念而是硬指標(biāo)1.1 我為什么開始認(rèn)真對(duì)待PFC剛?cè)胄心菚?huì)兒我做過幾款小功率球泡燈驅(qū)動(dòng)用的還是最樸素的非隔離Buck電路。老板問PF能不能到0.5以上我說能到然后交貨。后來產(chǎn)品被歐洲客戶抽檢諧波測(cè)試沒過去整批貨被退回那才叫疼。從此我明白了一件事LED驅(qū)動(dòng)的PFC從來不是什么高端功能而是照明產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的準(zhǔn)生證。你現(xiàn)在去看所有正規(guī)渠道流通的LED燈具——球泡、筒燈、面板燈、工礦燈、戶外路燈——驅(qū)動(dòng)電源的銘牌上基本都會(huì)標(biāo)PF值。有的標(biāo)PF0.9有的標(biāo)PF0.95。這個(gè)參數(shù)不是廠家良心發(fā)現(xiàn)而是標(biāo)準(zhǔn)逼出來的。燈具屬于照明設(shè)備國際電工委員會(huì)IEC 61000-3-2的Class C條款對(duì)諧波電流有明確限值比如三次諧波不能超過基波電流的30%五次不能超過10%。如果你的驅(qū)動(dòng)電源前面沒有做功率因數(shù)校正輸入電流波形就是窄尖脈沖諧波分量占比很高直接超限。1.2 站在電網(wǎng)視角看LED驅(qū)動(dòng)的不干凈我經(jīng)常用一個(gè)比方來解釋功率因數(shù)這件事電網(wǎng)里的發(fā)電機(jī)和變壓器是房東我們這些用電設(shè)備是租客。如果你這個(gè)租客用電用得很臟——電壓是正弦波電流卻是一堆尖峰——那造成的后果是電能在整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)上白白發(fā)熱損耗。更麻煩的是三相四線系統(tǒng)里大量LED燈具的諧波電流疊加到零線上零線電流可能比相線還大嚴(yán)重的會(huì)直接把零線燒掉。所以電網(wǎng)公司不喜歡這種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)就把限值寫進(jìn)了法規(guī)。這個(gè)邏輯跟你是LED還是別的什么負(fù)載沒關(guān)系只要是AC-DC變換器做得不干凈就會(huì)有麻煩。1.3 兩個(gè)必須盯死的指標(biāo)PF與THD這里我想先把概念掰清楚因?yàn)楹芏鄤側(cè)腴T的同行會(huì)把PF和THD搞混。PF是功率因數(shù)定義為有功功率除以視在功率。在正弦電壓前提下它和電流總諧波失真THDi之間的關(guān)系可以近似寫成下面這個(gè)式子PF 1 / √(1 THDi2) × cos(φ)其中THDi是電流的總諧波失真百分比換算成小數(shù)cos(φ)是基波電流與電壓之間的相位差余弦。在LED驅(qū)動(dòng)電源里控制目標(biāo)就是讓輸入電流波形的包絡(luò)盡量跟蹤輸入電壓波形。如果跟蹤得完美且沒有相位偏移PF可以到0.99以上THDi只有10%左右。如果什么都不做典型的容性濾波輸入PF只有0.5-0.6THDi可能超過110%。所以判斷一個(gè)PFC電路做得好不好不要只看PF值THDi也必須一起看。有些填谷式無源PFCPF能刷到0.9但THDi仍然有40%-50%三次諧波貼著標(biāo)準(zhǔn)限值走量產(chǎn)時(shí)電容參數(shù)一漂移就超標(biāo)。我在測(cè)試中見過不少這樣的案例后面細(xì)聊。2. 從填谷電路到單級(jí)反激PFC方案演進(jìn)的三個(gè)臺(tái)階2.1 無源填谷式PFC便宜但有天花板無源PFC的代表是填谷電路Valley-Fill本質(zhì)上是用兩個(gè)電解電容和幾個(gè)二極管把整流橋后面的大電容濾波改成一個(gè)等效的串聯(lián)充、并聯(lián)放結(jié)構(gòu)。輸入電流從原來只在電壓峰值附近的一個(gè)窄脈沖拉寬成覆蓋較寬時(shí)間范圍的馬鞍形諧波確實(shí)下降了PF能到0.85-0.92。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒開關(guān)管、沒控制芯片、EMI也容易處理成本極低在低端球泡燈、燈絲燈里還能看到。天花板也很明顯第一電流波形無論如何都做不到正弦三次諧波很難穩(wěn)定壓到30%以內(nèi)第二填谷電路輸出的是脈動(dòng)直流輸出電壓紋波大后級(jí)恒流電路必須額外扛住電壓跌落第三PF做到0.92基本到頂了客戶現(xiàn)在動(dòng)輒要求0.95甚至0.99完全沒法接。2.2 有源臨界模式Boost PFC兩級(jí)架構(gòu)的經(jīng)典有源PFC真正拉開性能差距是從臨界導(dǎo)通模式BCM/TM模式的Boost PFC開始的。我在60W以上的LED驅(qū)動(dòng)里做PFC十次有八次用這個(gè)結(jié)構(gòu)。它的原理是在整流橋后面放一個(gè)Boost升壓電感、一個(gè)開關(guān)管、一個(gè)二極管和一個(gè)輸出母線電容控制芯片讓電感電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)剛好從零上升到設(shè)定峰值再回落到零緊接著進(jìn)入下一個(gè)周期。電感電流是三角波但平均電流的形狀是正弦的只要乘法器電路用輸入電壓的瞬時(shí)波形作為參考就能讓輸入電流跟隨輸入電壓。BCM模式最大的好處是開關(guān)管在電感電流為零時(shí)開通沒有二極管反向恢復(fù)問題成本低、EMI也好一些。缺點(diǎn)是開關(guān)頻率隨輸入電壓瞬時(shí)值和負(fù)載變化不是固定的EMI濾波器要按最低頻率來設(shè)計(jì)另外電感電流峰值是平均電流的兩倍開關(guān)管電流應(yīng)力大。2.3 單級(jí)反激PFC體積、成本、性能的平衡點(diǎn)如果你做的是25W-50W的LED驅(qū)動(dòng)又想要隔離又想要PF0.9那單級(jí)反激PFCSingle-Stage PFC Flyback會(huì)是首選。它把PFC和DC-DC隔離變換融合成一級(jí)變壓器原邊直接從整流后的電壓取能控制芯片比如L6562A這類的臨界模式PFC芯片配反激變壓器或者專門的PFC反激原邊反饋芯片讓原邊電流峰值跟隨輸入電壓波形。輸出通過變壓器隔離穩(wěn)壓省掉了獨(dú)立PFC前級(jí)和母線電容整體物料少、體積小、成本低。但這個(gè)世界沒有既要又要的好事。單級(jí)反激PFC的輸入電流控制精度比Boost PFC弱THD通常在15%-25%之間PF大概0.92-0.96。做普通固定負(fù)載的燈具夠用但要兼容可控硅調(diào)光、或者客戶要求PF0.98這就有點(diǎn)吃力了。這種情況下我會(huì)老老實(shí)實(shí)回到兩級(jí)架構(gòu)。2.4 方案對(duì)比與我的選型習(xí)慣我用下面這張表梳理一下三種路線的實(shí)際取舍方便你拿到具體項(xiàng)目時(shí)快速定位方案典型PFTHDi成本體積隔離適合場(chǎng)景無源填谷0.85-0.9240%-60%低中視后級(jí)低端球泡、對(duì)諧波不敏感市場(chǎng)單級(jí)反激PFC0.92-0.9615%-25%中低小可隔離25W-50W固定負(fù)載筒燈/面板燈Boost PFC反激/Buck0.98-0.9910%高大可隔離60W以上高PF/可調(diào)光燈具個(gè)人習(xí)慣是15W以下非調(diào)光球泡能接受PF0.7的直接做簡(jiǎn)化的非隔離Buck別硬上PFC成本控制不住15W-50W固定負(fù)載優(yōu)先單級(jí)反激PFC50W以上、需要調(diào)光、要過嚴(yán)苛諧波檢測(cè)、或者客戶把PF寫進(jìn)驗(yàn)收指標(biāo)直接上兩級(jí)。這個(gè)劃分不一定放之四海而皆準(zhǔn)但作為起步參考足夠。3. 選一套能落地的方案60W面板燈兩級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例3.1 從輸出規(guī)格反推輸入?yún)?shù)我拿手頭一個(gè)實(shí)際做過的案子來說甲方要60W面板燈驅(qū)動(dòng)輸出36V/1.67A實(shí)際設(shè)定1.6A多一點(diǎn)輸入90-265VAC寬電壓要求PF0.95諧波滿足Class C隔離無調(diào)光。我選了前級(jí)BCM Boost PFC 后級(jí)反激恒流的兩級(jí)架構(gòu)。先做系統(tǒng)級(jí)功率估算。輸出功率60W設(shè)整機(jī)效率88%輸入功率就是60/0.88 68.2W。這里我用了一個(gè)最基本的經(jīng)驗(yàn)值寬壓輸入、隔離輸出的LED驅(qū)動(dòng)器效率能到88%已經(jīng)算中上水平別再往高了估后面變壓器損耗、線路損耗都會(huì)把效率吃掉。前級(jí)Boost PFC的輸出母線電壓Vbus設(shè)為400V。這個(gè)值一方面保證在265V峰值電壓374V之上留出足夠的升壓空間另一方面又不會(huì)讓開關(guān)管耐壓壓力過大。最低輸入電壓取90VAC對(duì)應(yīng)峰值Vin_pk90×√2≈127V。最大輸入峰值電流Ipk的計(jì)算公式是Ipk 2√2 × Pin / Vin_rms(min) 2×1.414×68.2 / 90 ≈ 2.14A最大占空比Dpk在輸入電壓最低時(shí)出現(xiàn)Dpk 1 - Vin_pk / Vbus 1 - 127/400 ≈ 0.68關(guān)于最低開關(guān)頻率BCM模式有個(gè)特點(diǎn)開關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)是變化的在輸入電壓的峰值處頻率最低。我設(shè)計(jì)時(shí)把這個(gè)最低頻率fmin設(shè)在37kHz左右避免進(jìn)入音頻范圍20kHz以上但留足裕量也方便后面EMI濾波器的設(shè)計(jì)。這時(shí)候Boost電感L就可以估算L Vin_pk × Dpk / (Ipk × fmin) 127 × 0.68 / (2.14 × 37k) ≈ 1.09mH取標(biāo)準(zhǔn)值1.1mH。3.2 電感參數(shù)與磁芯選型電感量算出來了接下來選磁芯。在BCM模式下Boost電感中儲(chǔ)存的能量是脈動(dòng)的磁芯要承受峰值電流2.14A的一半以上不對(duì)是峰值電流2.14A更準(zhǔn)確說是最大峰值電流要按過壓、容差再放一點(diǎn)裕量我取2.5A來校核飽和。用公式N L × Ipk / (Bmax × Ae)來估算匝數(shù)。Bmax取0.3T低于磁芯飽和點(diǎn)0.35-0.38T留溫度漂移裕量Ae根據(jù)磁芯規(guī)格來。我做60W這個(gè)功率級(jí)別用的磁芯是PQ26/25Ae約為108mm2那么N 1.1mH × 2.5A / (0.3T × 108mm2) 0.00275 / 0.0000324 ≈ 85匝實(shí)際繞制時(shí)我會(huì)在86-88匝氣隙磨到電感量1.1mH。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)BCM PFC電感氣隙不能開太小否則偏置電流一上來電感量下降很快也不能開太大繞組匝數(shù)增加、銅損變高。最好在電感上串一個(gè)直流偏置源去實(shí)測(cè)不同電流下的電感量確保2.5A時(shí)電感量不會(huì)掉到0.9mH以下。3.3 反饋環(huán)路PFC級(jí)與恒流級(jí)的節(jié)奏分工兩級(jí)架構(gòu)里最容易翻車的是環(huán)路設(shè)計(jì)。前級(jí)PFC的電壓環(huán)路帶寬一定要壓得很低典型值10-20Hz。為什么因?yàn)镻FC的輸出端Vbus需要把工頻紋波100Hz/120Hz抑制掉不要讓電壓環(huán)去跟輸入正弦波較勁。如果環(huán)路帶寬太高PFC乘法器的誤差信號(hào)會(huì)隨輸出紋波波動(dòng)輸入電流波形就會(huì)失真PF和THD雙雙惡化。后級(jí)恒流環(huán)路的帶寬可以稍高一點(diǎn)但也不要高到去跟音頻干擾共振我一般設(shè)在幾百赫茲到1kHz左右保證輸出電流在負(fù)載瞬變時(shí)能穩(wěn)住即可。兩級(jí)環(huán)路都調(diào)完后我用示波器同時(shí)抓Vbus、輸入電流波形、輸出電流紋波三路信號(hào)最直觀。輸入電流波形應(yīng)該是干凈的正弦包絡(luò)Vbus紋波呈100Hz鋸齒狀且幅度不超過20Vpp輸出電流紋波不超過設(shè)定值的±5%。4. 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)最容易翻車的四個(gè)環(huán)節(jié)4.1 空載輸出電壓漂移問題第一版樣機(jī)打樣回來后我空載上電測(cè)試發(fā)現(xiàn)Vbus升到了420V還往上爬后級(jí)反激的輸出電壓也慢慢飄高。原因很經(jīng)典兩級(jí)架構(gòu)的輔助供電在空載時(shí)電流太小控制芯片工作點(diǎn)不穩(wěn)定加上PFC輸出沒有足夠的假負(fù)載導(dǎo)致母線電壓失控。解決辦法是在Vbus輸出端加一個(gè)泄放電阻阻值選在母線上靜態(tài)功耗1.5-2W左右比如400V上并一個(gè)47kΩ/3W的電阻靜態(tài)損耗約3.4W這里我實(shí)際用的比這個(gè)小一些因?yàn)楹蠹?jí)空載也有損耗?？傊o母線一個(gè)最小負(fù)載電流讓電壓環(huán)在空載時(shí)也有可調(diào)節(jié)的對(duì)象。另外把PFC芯片的過壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)到420V一旦超過就強(qiáng)制拉低開關(guān)頻率防止器件被悶炸。4.2 可控硅調(diào)光器與前級(jí)的拉鋸戰(zhàn)如果是可調(diào)光型號(hào)前級(jí)PFC的坑就更多了。可控硅調(diào)光器有一個(gè)維持電流要求就是說流過調(diào)光器的電流低于某個(gè)值常見20-50mA可控硅就會(huì)自行關(guān)斷導(dǎo)致燈光閃爍。而PFC電路為了高PF輸入電流是正弦波在電壓過零附近電流本來就很小加上輸入EMI電容還會(huì)給電流分流調(diào)光器很容易在過零時(shí)掉電重啟。網(wǎng)上常見的燈閃問題十有八九是這個(gè)原因。解決思路是加有源泄放電路Active Bleeder在整流橋輸出端并聯(lián)一個(gè)可控開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)由檢測(cè)電路判斷輸入電流趨勢(shì)在快要低于維持電流時(shí)主動(dòng)從電網(wǎng)汲取一點(diǎn)電流。這個(gè)電路調(diào)試時(shí)要注意泄放動(dòng)作的閾值設(shè)置太靈敏了整個(gè)導(dǎo)通角都被泄放電路吃掉PFC等于白做太遲鈍了調(diào)光切角處又會(huì)出現(xiàn)閃爍。我一般把泄放電流設(shè)定為調(diào)光器維持電流的1.5倍左右并且只在電壓過零附近小窗口內(nèi)工作盡量減少對(duì)PF值的拖累。4.3 諧波測(cè)試邊緣超標(biāo)怎么辦有一次做單級(jí)反激PFC方案的諧波預(yù)測(cè)試三次諧波測(cè)出來26%Class C限值是30%?？粗鴽]過其實(shí)已經(jīng)離懸崖不遠(yuǎn)了。量產(chǎn)時(shí)變壓器感量、芯片批次、電解電容容差稍微波動(dòng)一下三次諧波就可能沖到28%、29%甚至在某個(gè)低溫環(huán)境下直接超30%。這種邊緣超標(biāo)最要命。我的處理方法是把峰值電流限制電路重新調(diào)一遍加大電流參考波形里對(duì)輸入電壓的三次諧波補(bǔ)償權(quán)重。很多單級(jí)PFC芯片都有諧波補(bǔ)償端或THD優(yōu)化引腳通過外置RC網(wǎng)絡(luò)比如在MULT引腳上疊一個(gè)相位補(bǔ)償信號(hào)來抵消輸入電流里的三次諧波。調(diào)完之后實(shí)測(cè)三次諧波降到21%THDi從19%降到14%。具體RC取值每個(gè)芯片不一樣但思路是通用的你要想辦法讓電流峰值包絡(luò)更貼近正弦而不是單純放大或縮小。4.4 熱設(shè)計(jì)和電解電容壽命的取舍調(diào)完功能之后我把整機(jī)丟進(jìn)45℃老化箱做48小時(shí)帶載老化結(jié)果溫度穩(wěn)定后測(cè)母線電容表面溫度有93℃超出預(yù)期。翻看規(guī)格書這個(gè)電解電容的額定壽命是105℃/10000小時(shí)按Arrhenius定律每降10℃壽命翻倍但93℃意味著壽命折損很快燈具質(zhì)保五年根本扛不住。我最后把母線電容從兩只15μF/450V并聯(lián)擴(kuò)容到兩只22μF/450V同時(shí)把電容位置從變壓器和PFC電感旁邊挪開PCB上加散熱過孔陣列讓熱量往鋁基板方向?qū)?。改完之后電容表面溫度降?1℃。這件事看著不起眼但對(duì)產(chǎn)品實(shí)際壽命的影響比省那幾分錢物料重要得多。我自己吃過虧之前有一批筒燈驅(qū)動(dòng)在客戶現(xiàn)場(chǎng)用了兩年多就開始批量閃燈拆開看就是母線電容鼓包從那以后我在電容溫度和紋波電流上的校核再不敢馬虎。5. 新一代方案的選擇邏輯數(shù)字PFC、GaN與單級(jí)集成5.1 數(shù)字控制PFC的實(shí)際收益標(biāo)題里既然提到了New Power Factor-Corrected AC-DC Drivers那就得說說我觀察到的新到底新在哪。最直觀的變化是數(shù)字控制正在下沉。以前數(shù)字PFC是幾百瓦通信電源和服務(wù)器電源才用的現(xiàn)在TI的UCD3138、NXP的TEA2016這類方案已經(jīng)能覆蓋燈具級(jí)功率而且價(jià)格不再是遙不可及。數(shù)字PFC帶來的直接收益是環(huán)路參數(shù)可以在線調(diào)整調(diào)光兼容性從硬件RC變成固件配置THD優(yōu)化可以通過軟件算法做多次諧波注入補(bǔ)償效果比模擬電路精細(xì)得多還可以把PFC級(jí)和LLC級(jí)做狀態(tài)聯(lián)動(dòng)負(fù)載跳變時(shí)母線電壓的動(dòng)態(tài)范圍能壓得很窄。但代價(jià)是開發(fā)周期變長(zhǎng)需要會(huì)寫控制代碼的工程師中小規(guī)模燈具廠其實(shí)不太玩得轉(zhuǎn)。我的判斷是除非你的產(chǎn)品定位是可編程高端驅(qū)動(dòng)、帶0-10V或DALI調(diào)光、需要滿足極高PF和低THD否則暫時(shí)沒必要為了數(shù)字而數(shù)字。5.2 GaN器件在LED驅(qū)動(dòng)里的機(jī)會(huì)與限制GaN氮化鎵器件這兩年也是高頻詞。它的優(yōu)勢(shì)是開關(guān)速度極快、結(jié)電容小、反向恢復(fù)電荷幾乎為零在PFC電路里可以跑很高的頻率從而把磁性元件縮小。我在一個(gè)300W的戶外電源樣機(jī)上試過氮化鎵HEMT做CCM模式Boost PFC頻率跑到400kHz電感體積比硅管65kHz方案小了將近一半效率還要高0.5%-1%。但放到照明級(jí)產(chǎn)品里事情沒那么樂觀。LED驅(qū)動(dòng)對(duì)成本極其敏感GaN器件單價(jià)擺在那省下的磁芯錢未必能覆蓋器件差價(jià)而且高頻化之后EMI濾波器設(shè)計(jì)難度上升驅(qū)動(dòng)電路也需要更精細(xì)的layout普通工程師團(tuán)隊(duì)容易在首板就翻車。目前GaN在LED領(lǐng)域更適合做成大功率、高功率密度的道路照明和體育照明室內(nèi)燈具應(yīng)用還不算多。5.3 單級(jí)集成是中小功率LED驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)答案拋開超前的技術(shù)不談我認(rèn)為眼下最值得關(guān)注的新方案是把PFC和恒流反饋集成到一顆控制芯片里做成原邊反饋的單級(jí)PFC反激PSRPFC。這類芯片現(xiàn)在非常成熟外置元件少變壓器設(shè)計(jì)有專門的設(shè)計(jì)軟件調(diào)試難度低而且通過數(shù)字微調(diào)后THD能做到12%-18%、PF做到0.95上下已經(jīng)能滿足大部分室內(nèi)照明客戶的要求。我自己做一款30W筒燈驅(qū)動(dòng)時(shí)就從兩級(jí)架構(gòu)換回了單級(jí)PFC反激因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)客戶根本不需要PF0.98只要穩(wěn)定過標(biāo)、成本低、體積小就夠了。產(chǎn)品尺寸從原來兩級(jí)架構(gòu)的PCB 50mm×35mm壓縮到35mm×28mm元件數(shù)少了十幾個(gè)一次直通良率反而更高。如果你現(xiàn)在要開一款20W-50W的固定負(fù)載LED燈具我個(gè)人建議優(yōu)先去評(píng)估這類單級(jí)集成方案別一上來就堆兩級(jí)。如果未來要做全范圍可調(diào)光、低閃爍、帶物聯(lián)網(wǎng)通信的高端電源再回頭用兩級(jí)架構(gòu)前級(jí)數(shù)字PFC、后級(jí)LLC或反激那樣性能天花板才夠高。我的一貫原則是方案的新不等于方案的貴關(guān)鍵是新產(chǎn)品形態(tài)和你的客戶要求能否對(duì)齊。能落到量產(chǎn)、能過測(cè)試、穩(wěn)定跑三年的方案才是好方案。 LED照明驅(qū)動(dòng)PFC設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：方案選型、參數(shù)計(jì)算與調(diào)試要點(diǎn)
上周我?guī)鸵晃蛔雒姘鍩舻呐笥丫燃彼幸慌?0W驅(qū)動(dòng)電源在第三方實(shí)驗(yàn)室卡在諧波測(cè)試上PF值只有0.87輸出端還帶著明顯的電流紋波肉眼都能看到燈珠亮度在抖。拆開板子一看典型的低壓無源PFC方案前端就是一個(gè)填谷電路輸出濾波電容也摳得特別狠。這年頭做LED照明還想靠低成本糊弄過功率因數(shù)校正這一關(guān)已經(jīng)越來越不現(xiàn)實(shí)了。我這次想把Power Factor-Corrected AC-DC驅(qū)動(dòng)器這個(gè)話題系統(tǒng)地捋一遍重點(diǎn)聊聊LED照明應(yīng)用下的PFC設(shè)計(jì)思路、方案選型、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算和調(diào)試中真正會(huì)踩到的坑。文章適合剛要入行做LED驅(qū)動(dòng)電源的工程師、正在量化降本的燈具廠硬件負(fù)責(zé)人以及想搞懂為什么LED驅(qū)動(dòng)一定要帶PFC的產(chǎn)品經(jīng)理。內(nèi)容不繞彎子直接按照我實(shí)際做過、測(cè)過的方案來講。1. LED照明驅(qū)動(dòng)的功率因數(shù)不是營(yíng)銷概念而是硬指標(biāo)1.1 我為什么開始認(rèn)真對(duì)待PFC剛?cè)胄心菚?huì)兒我做過幾款小功率球泡燈驅(qū)動(dòng)用的還是最樸素的非隔離Buck電路。老板問PF能不能到0.5以上我說能到然后交貨。后來產(chǎn)品被歐洲客戶抽檢諧波測(cè)試沒過去整批貨被退回那才叫疼。從此我明白了一件事LED驅(qū)動(dòng)的PFC從來不是什么高端功能而是照明產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的準(zhǔn)生證。你現(xiàn)在去看所有正規(guī)渠道流通的LED燈具——球泡、筒燈、面板燈、工礦燈、戶外路燈——驅(qū)動(dòng)電源的銘牌上基本都會(huì)標(biāo)PF值。有的標(biāo)PF0.9有的標(biāo)PF0.95。這個(gè)參數(shù)不是廠家良心發(fā)現(xiàn)而是標(biāo)準(zhǔn)逼出來的。燈具屬于照明設(shè)備國際電工委員會(huì)IEC 61000-3-2的Class C條款對(duì)諧波電流有明確限值比如三次諧波不能超過基波電流的30%五次不能超過10%。如果你的驅(qū)動(dòng)電源前面沒有做功率因數(shù)校正輸入電流波形就是窄尖脈沖諧波分量占比很高直接超限。1.2 站在電網(wǎng)視角看LED驅(qū)動(dòng)的不干凈我經(jīng)常用一個(gè)比方來解釋功率因數(shù)這件事電網(wǎng)里的發(fā)電機(jī)和變壓器是房東我們這些用電設(shè)備是租客。如果你這個(gè)租客用電用得很臟——電壓是正弦波電流卻是一堆尖峰——那造成的后果是電能在整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)上白白發(fā)熱損耗。更麻煩的是三相四線系統(tǒng)里大量LED燈具的諧波電流疊加到零線上零線電流可能比相線還大嚴(yán)重的會(huì)直接把零線燒掉。所以電網(wǎng)公司不喜歡這種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)就把限值寫進(jìn)了法規(guī)。這個(gè)邏輯跟你是LED還是別的什么負(fù)載沒關(guān)系只要是AC-DC變換器做得不干凈就會(huì)有麻煩。1.3 兩個(gè)必須盯死的指標(biāo)PF與THD這里我想先把概念掰清楚因?yàn)楹芏鄤側(cè)腴T的同行會(huì)把PF和THD搞混。PF是功率因數(shù)定義為有功功率除以視在功率。在正弦電壓前提下它和電流總諧波失真THDi之間的關(guān)系可以近似寫成下面這個(gè)式子PF 1 / √(1 THDi2) × cos(φ)其中THDi是電流的總諧波失真百分比換算成小數(shù)cos(φ)是基波電流與電壓之間的相位差余弦。在LED驅(qū)動(dòng)電源里控制目標(biāo)就是讓輸入電流波形的包絡(luò)盡量跟蹤輸入電壓波形。如果跟蹤得完美且沒有相位偏移PF可以到0.99以上THDi只有10%左右。如果什么都不做典型的容性濾波輸入PF只有0.5-0.6THDi可能超過110%。所以判斷一個(gè)PFC電路做得好不好不要只看PF值THDi也必須一起看。有些填谷式無源PFCPF能刷到0.9但THDi仍然有40%-50%三次諧波貼著標(biāo)準(zhǔn)限值走量產(chǎn)時(shí)電容參數(shù)一漂移就超標(biāo)。我在測(cè)試中見過不少這樣的案例后面細(xì)聊。2. 從填谷電路到單級(jí)反激PFC方案演進(jìn)的三個(gè)臺(tái)階2.1 無源填谷式PFC便宜但有天花板無源PFC的代表是填谷電路Valley-Fill本質(zhì)上是用兩個(gè)電解電容和幾個(gè)二極管把整流橋后面的大電容濾波改成一個(gè)等效的串聯(lián)充、并聯(lián)放結(jié)構(gòu)。輸入電流從原來只在電壓峰值附近的一個(gè)窄脈沖拉寬成覆蓋較寬時(shí)間范圍的馬鞍形諧波確實(shí)下降了PF能到0.85-0.92。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒開關(guān)管、沒控制芯片、EMI也容易處理成本極低在低端球泡燈、燈絲燈里還能看到。天花板也很明顯第一電流波形無論如何都做不到正弦三次諧波很難穩(wěn)定壓到30%以內(nèi)第二填谷電路輸出的是脈動(dòng)直流輸出電壓紋波大后級(jí)恒流電路必須額外扛住電壓跌落第三PF做到0.92基本到頂了客戶現(xiàn)在動(dòng)輒要求0.95甚至0.99完全沒法接。2.2 有源臨界模式Boost PFC兩級(jí)架構(gòu)的經(jīng)典有源PFC真正拉開性能差距是從臨界導(dǎo)通模式BCM/TM模式的Boost PFC開始的。我在60W以上的LED驅(qū)動(dòng)里做PFC十次有八次用這個(gè)結(jié)構(gòu)。它的原理是在整流橋后面放一個(gè)Boost升壓電感、一個(gè)開關(guān)管、一個(gè)二極管和一個(gè)輸出母線電容控制芯片讓電感電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)剛好從零上升到設(shè)定峰值再回落到零緊接著進(jìn)入下一個(gè)周期。電感電流是三角波但平均電流的形狀是正弦的只要乘法器電路用輸入電壓的瞬時(shí)波形作為參考就能讓輸入電流跟隨輸入電壓。BCM模式最大的好處是開關(guān)管在電感電流為零時(shí)開通沒有二極管反向恢復(fù)問題成本低、EMI也好一些。缺點(diǎn)是開關(guān)頻率隨輸入電壓瞬時(shí)值和負(fù)載變化不是固定的EMI濾波器要按最低頻率來設(shè)計(jì)另外電感電流峰值是平均電流的兩倍開關(guān)管電流應(yīng)力大。2.3 單級(jí)反激PFC體積、成本、性能的平衡點(diǎn)如果你做的是25W-50W的LED驅(qū)動(dòng)又想要隔離又想要PF0.9那單級(jí)反激PFCSingle-Stage PFC Flyback會(huì)是首選。它把PFC和DC-DC隔離變換融合成一級(jí)變壓器原邊直接從整流后的電壓取能控制芯片比如L6562A這類的臨界模式PFC芯片配反激變壓器或者專門的PFC反激原邊反饋芯片讓原邊電流峰值跟隨輸入電壓波形。輸出通過變壓器隔離穩(wěn)壓省掉了獨(dú)立PFC前級(jí)和母線電容整體物料少、體積小、成本低。但這個(gè)世界沒有既要又要的好事。單級(jí)反激PFC的輸入電流控制精度比Boost PFC弱THD通常在15%-25%之間PF大概0.92-0.96。做普通固定負(fù)載的燈具夠用但要兼容可控硅調(diào)光、或者客戶要求PF0.98這就有點(diǎn)吃力了。這種情況下我會(huì)老老實(shí)實(shí)回到兩級(jí)架構(gòu)。2.4 方案對(duì)比與我的選型習(xí)慣我用下面這張表梳理一下三種路線的實(shí)際取舍方便你拿到具體項(xiàng)目時(shí)快速定位方案典型PFTHDi成本體積隔離適合場(chǎng)景無源填谷0.85-0.9240%-60%低中視后級(jí)低端球泡、對(duì)諧波不敏感市場(chǎng)單級(jí)反激PFC0.92-0.9615%-25%中低小可隔離25W-50W固定負(fù)載筒燈/面板燈Boost PFC反激/Buck0.98-0.9910%高大可隔離60W以上高PF/可調(diào)光燈具個(gè)人習(xí)慣是15W以下非調(diào)光球泡能接受PF0.7的直接做簡(jiǎn)化的非隔離Buck別硬上PFC成本控制不住15W-50W固定負(fù)載優(yōu)先單級(jí)反激PFC50W以上、需要調(diào)光、要過嚴(yán)苛諧波檢測(cè)、或者客戶把PF寫進(jìn)驗(yàn)收指標(biāo)直接上兩級(jí)。這個(gè)劃分不一定放之四海而皆準(zhǔn)但作為起步參考足夠。3. 選一套能落地的方案60W面板燈兩級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例3.1 從輸出規(guī)格反推輸入?yún)?shù)我拿手頭一個(gè)實(shí)際做過的案子來說甲方要60W面板燈驅(qū)動(dòng)輸出36V/1.67A實(shí)際設(shè)定1.6A多一點(diǎn)輸入90-265VAC寬電壓要求PF0.95諧波滿足Class C隔離無調(diào)光。我選了前級(jí)BCM Boost PFC 后級(jí)反激恒流的兩級(jí)架構(gòu)。先做系統(tǒng)級(jí)功率估算。輸出功率60W設(shè)整機(jī)效率88%輸入功率就是60/0.88 68.2W。這里我用了一個(gè)最基本的經(jīng)驗(yàn)值寬壓輸入、隔離輸出的LED驅(qū)動(dòng)器效率能到88%已經(jīng)算中上水平別再往高了估后面變壓器損耗、線路損耗都會(huì)把效率吃掉。前級(jí)Boost PFC的輸出母線電壓Vbus設(shè)為400V。這個(gè)值一方面保證在265V峰值電壓374V之上留出足夠的升壓空間另一方面又不會(huì)讓開關(guān)管耐壓壓力過大。最低輸入電壓取90VAC對(duì)應(yīng)峰值Vin_pk90×√2≈127V。最大輸入峰值電流Ipk的計(jì)算公式是Ipk 2√2 × Pin / Vin_rms(min) 2×1.414×68.2 / 90 ≈ 2.14A最大占空比Dpk在輸入電壓最低時(shí)出現(xiàn)Dpk 1 - Vin_pk / Vbus 1 - 127/400 ≈ 0.68關(guān)于最低開關(guān)頻率BCM模式有個(gè)特點(diǎn)開關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)是變化的在輸入電壓的峰值處頻率最低。我設(shè)計(jì)時(shí)把這個(gè)最低頻率fmin設(shè)在37kHz左右避免進(jìn)入音頻范圍20kHz以上但留足裕量也方便后面EMI濾波器的設(shè)計(jì)。這時(shí)候Boost電感L就可以估算L Vin_pk × Dpk / (Ipk × fmin) 127 × 0.68 / (2.14 × 37k) ≈ 1.09mH取標(biāo)準(zhǔn)值1.1mH。3.2 電感參數(shù)與磁芯選型電感量算出來了接下來選磁芯。在BCM模式下Boost電感中儲(chǔ)存的能量是脈動(dòng)的磁芯要承受峰值電流2.14A的一半以上不對(duì)是峰值電流2.14A更準(zhǔn)確說是最大峰值電流要按過壓、容差再放一點(diǎn)裕量我取2.5A來校核飽和。用公式N L × Ipk / (Bmax × Ae)來估算匝數(shù)。Bmax取0.3T低于磁芯飽和點(diǎn)0.35-0.38T留溫度漂移裕量Ae根據(jù)磁芯規(guī)格來。我做60W這個(gè)功率級(jí)別用的磁芯是PQ26/25Ae約為108mm2那么N 1.1mH × 2.5A / (0.3T × 108mm2) 0.00275 / 0.0000324 ≈ 85匝實(shí)際繞制時(shí)我會(huì)在86-88匝氣隙磨到電感量1.1mH。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)BCM PFC電感氣隙不能開太小否則偏置電流一上來電感量下降很快也不能開太大繞組匝數(shù)增加、銅損變高。最好在電感上串一個(gè)直流偏置源去實(shí)測(cè)不同電流下的電感量確保2.5A時(shí)電感量不會(huì)掉到0.9mH以下。3.3 反饋環(huán)路PFC級(jí)與恒流級(jí)的節(jié)奏分工兩級(jí)架構(gòu)里最容易翻車的是環(huán)路設(shè)計(jì)。前級(jí)PFC的電壓環(huán)路帶寬一定要壓得很低典型值10-20Hz。為什么因?yàn)镻FC的輸出端Vbus需要把工頻紋波100Hz/120Hz抑制掉不要讓電壓環(huán)去跟輸入正弦波較勁。如果環(huán)路帶寬太高PFC乘法器的誤差信號(hào)會(huì)隨輸出紋波波動(dòng)輸入電流波形就會(huì)失真PF和THD雙雙惡化。后級(jí)恒流環(huán)路的帶寬可以稍高一點(diǎn)但也不要高到去跟音頻干擾共振我一般設(shè)在幾百赫茲到1kHz左右保證輸出電流在負(fù)載瞬變時(shí)能穩(wěn)住即可。兩級(jí)環(huán)路都調(diào)完后我用示波器同時(shí)抓Vbus、輸入電流波形、輸出電流紋波三路信號(hào)最直觀。輸入電流波形應(yīng)該是干凈的正弦包絡(luò)Vbus紋波呈100Hz鋸齒狀且幅度不超過20Vpp輸出電流紋波不超過設(shè)定值的±5%。4. 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)最容易翻車的四個(gè)環(huán)節(jié)4.1 空載輸出電壓漂移問題第一版樣機(jī)打樣回來后我空載上電測(cè)試發(fā)現(xiàn)Vbus升到了420V還往上爬后級(jí)反激的輸出電壓也慢慢飄高。原因很經(jīng)典兩級(jí)架構(gòu)的輔助供電在空載時(shí)電流太小控制芯片工作點(diǎn)不穩(wěn)定加上PFC輸出沒有足夠的假負(fù)載導(dǎo)致母線電壓失控。解決辦法是在Vbus輸出端加一個(gè)泄放電阻阻值選在母線上靜態(tài)功耗1.5-2W左右比如400V上并一個(gè)47kΩ/3W的電阻靜態(tài)損耗約3.4W這里我實(shí)際用的比這個(gè)小一些因?yàn)楹蠹?jí)空載也有損耗?？傊o母線一個(gè)最小負(fù)載電流讓電壓環(huán)在空載時(shí)也有可調(diào)節(jié)的對(duì)象。另外把PFC芯片的過壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)到420V一旦超過就強(qiáng)制拉低開關(guān)頻率防止器件被悶炸。4.2 可控硅調(diào)光器與前級(jí)的拉鋸戰(zhàn)如果是可調(diào)光型號(hào)前級(jí)PFC的坑就更多了。可控硅調(diào)光器有一個(gè)維持電流要求就是說流過調(diào)光器的電流低于某個(gè)值常見20-50mA可控硅就會(huì)自行關(guān)斷導(dǎo)致燈光閃爍。而PFC電路為了高PF輸入電流是正弦波在電壓過零附近電流本來就很小加上輸入EMI電容還會(huì)給電流分流調(diào)光器很容易在過零時(shí)掉電重啟。網(wǎng)上常見的燈閃問題十有八九是這個(gè)原因。解決思路是加有源泄放電路Active Bleeder在整流橋輸出端并聯(lián)一個(gè)可控開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)由檢測(cè)電路判斷輸入電流趨勢(shì)在快要低于維持電流時(shí)主動(dòng)從電網(wǎng)汲取一點(diǎn)電流。這個(gè)電路調(diào)試時(shí)要注意泄放動(dòng)作的閾值設(shè)置太靈敏了整個(gè)導(dǎo)通角都被泄放電路吃掉PFC等于白做太遲鈍了調(diào)光切角處又會(huì)出現(xiàn)閃爍。我一般把泄放電流設(shè)定為調(diào)光器維持電流的1.5倍左右并且只在電壓過零附近小窗口內(nèi)工作盡量減少對(duì)PF值的拖累。4.3 諧波測(cè)試邊緣超標(biāo)怎么辦有一次做單級(jí)反激PFC方案的諧波預(yù)測(cè)試三次諧波測(cè)出來26%Class C限值是30%?？粗鴽]過其實(shí)已經(jīng)離懸崖不遠(yuǎn)了。量產(chǎn)時(shí)變壓器感量、芯片批次、電解電容容差稍微波動(dòng)一下三次諧波就可能沖到28%、29%甚至在某個(gè)低溫環(huán)境下直接超30%。這種邊緣超標(biāo)最要命。我的處理方法是把峰值電流限制電路重新調(diào)一遍加大電流參考波形里對(duì)輸入電壓的三次諧波補(bǔ)償權(quán)重。很多單級(jí)PFC芯片都有諧波補(bǔ)償端或THD優(yōu)化引腳通過外置RC網(wǎng)絡(luò)比如在MULT引腳上疊一個(gè)相位補(bǔ)償信號(hào)來抵消輸入電流里的三次諧波。調(diào)完之后實(shí)測(cè)三次諧波降到21%THDi從19%降到14%。具體RC取值每個(gè)芯片不一樣但思路是通用的你要想辦法讓電流峰值包絡(luò)更貼近正弦而不是單純放大或縮小。4.4 熱設(shè)計(jì)和電解電容壽命的取舍調(diào)完功能之后我把整機(jī)丟進(jìn)45℃老化箱做48小時(shí)帶載老化結(jié)果溫度穩(wěn)定后測(cè)母線電容表面溫度有93℃超出預(yù)期。翻看規(guī)格書這個(gè)電解電容的額定壽命是105℃/10000小時(shí)按Arrhenius定律每降10℃壽命翻倍但93℃意味著壽命折損很快燈具質(zhì)保五年根本扛不住。我最后把母線電容從兩只15μF/450V并聯(lián)擴(kuò)容到兩只22μF/450V同時(shí)把電容位置從變壓器和PFC電感旁邊挪開PCB上加散熱過孔陣列讓熱量往鋁基板方向?qū)?。改完之后電容表面溫度降?1℃。這件事看著不起眼但對(duì)產(chǎn)品實(shí)際壽命的影響比省那幾分錢物料重要得多。我自己吃過虧之前有一批筒燈驅(qū)動(dòng)在客戶現(xiàn)場(chǎng)用了兩年多就開始批量閃燈拆開看就是母線電容鼓包從那以后我在電容溫度和紋波電流上的校核再不敢馬虎。5. 新一代方案的選擇邏輯數(shù)字PFC、GaN與單級(jí)集成5.1 數(shù)字控制PFC的實(shí)際收益標(biāo)題里既然提到了New Power Factor-Corrected AC-DC Drivers那就得說說我觀察到的新到底新在哪。最直觀的變化是數(shù)字控制正在下沉。以前數(shù)字PFC是幾百瓦通信電源和服務(wù)器電源才用的現(xiàn)在TI的UCD3138、NXP的TEA2016這類方案已經(jīng)能覆蓋燈具級(jí)功率而且價(jià)格不再是遙不可及。數(shù)字PFC帶來的直接收益是環(huán)路參數(shù)可以在線調(diào)整調(diào)光兼容性從硬件RC變成固件配置THD優(yōu)化可以通過軟件算法做多次諧波注入補(bǔ)償效果比模擬電路精細(xì)得多還可以把PFC級(jí)和LLC級(jí)做狀態(tài)聯(lián)動(dòng)負(fù)載跳變時(shí)母線電壓的動(dòng)態(tài)范圍能壓得很窄。但代價(jià)是開發(fā)周期變長(zhǎng)需要會(huì)寫控制代碼的工程師中小規(guī)模燈具廠其實(shí)不太玩得轉(zhuǎn)。我的判斷是除非你的產(chǎn)品定位是可編程高端驅(qū)動(dòng)、帶0-10V或DALI調(diào)光、需要滿足極高PF和低THD否則暫時(shí)沒必要為了數(shù)字而數(shù)字。5.2 GaN器件在LED驅(qū)動(dòng)里的機(jī)會(huì)與限制GaN氮化鎵器件這兩年也是高頻詞。它的優(yōu)勢(shì)是開關(guān)速度極快、結(jié)電容小、反向恢復(fù)電荷幾乎為零在PFC電路里可以跑很高的頻率從而把磁性元件縮小。我在一個(gè)300W的戶外電源樣機(jī)上試過氮化鎵HEMT做CCM模式Boost PFC頻率跑到400kHz電感體積比硅管65kHz方案小了將近一半效率還要高0.5%-1%。但放到照明級(jí)產(chǎn)品里事情沒那么樂觀。LED驅(qū)動(dòng)對(duì)成本極其敏感GaN器件單價(jià)擺在那省下的磁芯錢未必能覆蓋器件差價(jià)而且高頻化之后EMI濾波器設(shè)計(jì)難度上升驅(qū)動(dòng)電路也需要更精細(xì)的layout普通工程師團(tuán)隊(duì)容易在首板就翻車。目前GaN在LED領(lǐng)域更適合做成大功率、高功率密度的道路照明和體育照明室內(nèi)燈具應(yīng)用還不算多。5.3 單級(jí)集成是中小功率LED驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)答案拋開超前的技術(shù)不談我認(rèn)為眼下最值得關(guān)注的新方案是把PFC和恒流反饋集成到一顆控制芯片里做成原邊反饋的單級(jí)PFC反激PSRPFC。這類芯片現(xiàn)在非常成熟外置元件少變壓器設(shè)計(jì)有專門的設(shè)計(jì)軟件調(diào)試難度低而且通過數(shù)字微調(diào)后THD能做到12%-18%、PF做到0.95上下已經(jīng)能滿足大部分室內(nèi)照明客戶的要求。我自己做一款30W筒燈驅(qū)動(dòng)時(shí)就從兩級(jí)架構(gòu)換回了單級(jí)PFC反激因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)客戶根本不需要PF0.98只要穩(wěn)定過標(biāo)、成本低、體積小就夠了。產(chǎn)品尺寸從原來兩級(jí)架構(gòu)的PCB 50mm×35mm壓縮到35mm×28mm元件數(shù)少了十幾個(gè)一次直通良率反而更高。如果你現(xiàn)在要開一款20W-50W的固定負(fù)載LED燈具我個(gè)人建議優(yōu)先去評(píng)估這類單級(jí)集成方案別一上來就堆兩級(jí)。如果未來要做全范圍可調(diào)光、低閃爍、帶物聯(lián)網(wǎng)通信的高端電源再回頭用兩級(jí)架構(gòu)前級(jí)數(shù)字PFC、后級(jí)LLC或反激那樣性能天花板才夠高。我的一貫原則是方案的新不等于方案的貴關(guān)鍵是新產(chǎn)品形態(tài)和你的客戶要求能否對(duì)齊。能落到量產(chǎn)、能過測(cè)試、穩(wěn)定跑三年的方案才是好方案。